利用光电效应实验仪测量液体浓度_冯宇.pdf

第 36 卷第 1 期大学物理实验Vol36 No12023 年 2 月PHYSICAL EXPEIMENT OF COLLEGEFeb2023收稿日期:2022-09-12基金项目:云南省省级线下一流课程“基础物理学实验(二)”，西南地区物理学术竞赛类教育教学改革研究项目(SWPTJG2105)，教育部产学合作协同育人项目(202002281001)，高等学校教学研究项目(DWJZW202142xn)，教育部新工科项目(E-SXWLHXLX20202605)，高等学校教学研究项目(DWJZW202235xn)*通讯联系人文章编号:1007-2934(2023)01-0020-03利用光电效应实验仪测量液体浓度冯宇，王俊杰，梁申，吕宪魁*，郑永刚，刘文广，冯洁(云南师范大学 物理与电子信息学院，云南 昆明650500)摘要:一定波长的光透过液体时会有部分光强被液体吸收，不同浓度的液体对光强的吸收能力不一样。经液体吸收后剩余的光强依然会使光电管产生光电流。基于光电效应的实验原理，测量同一液体不同浓度时对应的光电流大小，绘制二者的定标曲线并通过计算机拟合二者的线性方程。即最终仅需通过光电效应实验仪测得液体挡光后光电流的大小即可计算液体对应的浓度。关键词:光电效应;液体浓度;光电流;光电效应实验仪中图分类号:O 59文献标志码:ADOI:1014139/jcnkicn22-1228202301005大学物理实验 投稿网址:http:/dawushiyanjlicteducn在化工、医疗以及食品等领域，液体浓度是一个非常重要的物理量，此外液体浓度也会影响着液体的一些物理性质。若能使用较为简便的方法测量可溶性物质的液体浓度，便可为从事相关领域的工作者带来极大的便利。目前常用的实验方法有光谱分析法1、光反射法2、超声技术法3、声速法4 等。但这些测量方法或非常耗时、或不宜操作、或精度较差。因此，本文介绍了一种基于光电效应实验仪测量液体浓度的方法:将待测液体置于普朗克常量测定仪的光源和光电管之间，入射光的波长一定时，只需通过测量光电流(下文均用 ig表示)的大小，即可间接计算出液体浓度的大小，极大程度地简化液体浓度测量的实验步骤。而且利用本方案测量液体浓度应用场景较为广泛，可用于测量透明液体、有色液体以及混合液体的浓度。文章将以 NaCl 溶液浓度(下文均用 c 表示)的测量为例详细介绍实验方案。1实验原理当一定波长的光照射到某些金属表面时，可以使电子从金属表面逸出，产生光电子，该效应称为光电效应5。入射光波长一定时，入射光的光强越大，单位时间产生的光电子越多，即电流 ig越大。当一束单色光照射溶液时，入射光强度愈强，溶液浓度愈大，液层厚度愈厚，则溶液对光强的吸收愈多。它们之间的关系符合物质对光吸收的定量定律，即朗伯-比尔(Lambert-Beer)定律6:A=lg(1/T)=Kbc(1)式中:A 为吸光度;T 为透射比，是透射光强度比入射光强度;K 为为摩尔吸收系数，它与吸收的液体的性质及入射光的波长有关;c 为吸光物质的浓度;b 为吸收层厚度。当保证 K 和 b 不变时，液体的吸光度 A 就与溶液浓度 c 成正比。若在光源和光电管间放置液体吸光，则光线透过液体时其部分光强会被液体吸收，导致光电管输出的电流 ig减小，且不同浓度的液体对光强的吸收能力不一样。基于上述原理，使用晶体 NaCl 为溶质，配置不同浓度的 NaCl 溶液，利用普朗克常数测定仪测量出不同浓度对应的电流 ig大小，并绘制出二者的定标曲线。实验原理如图 1 所示。图 1实验原理简图通过计算机拟合曲线得到液体浓度 c 与电流ig的线性关系后，即可根据实验所得的电流 ig的大小间接计算出对应的液体浓度 c。2实验仪器与样品高纯度 NaCl 晶体(纯度为 998%)、电子天平、光电效应实验仪、透明水槽、遮光布，量筒、温度计等，如图 2 所示:3实验过程将光电效应实验仪通电预热 20 分钟，之后在无光电管电流输入的情况下调零。开始实验前选用波长为 577 nm 的汞灯为光源，并在测量仪上方(光源与光电管之间)放置透明水槽，如图 3所示。图 2实验装置实物图图 3实验装置简图为了防止杂光影响实验结果，在水槽四周粘贴遮光布，在水槽中添加适量清水，保证水位没过整个光源并测得实验水温为 23。待水槽内部环境稳定后，读出此时电流 ig的大小。此后根据水槽内液体的体积，依次加入不同质量的 Nacl 晶体，得到不同百分比浓度的 Nacl 溶液，并分别测量出各自浓度对应的电流值 ig。通过计算机绘制得到电流 ig与 浓度 c 的变化曲线并拟合二者的线性方程。4数据处理及准确度测试41数据处理实验数据如表 1 所示:表 1实验数据浓度 c(100%)电流 ig(1010A)05670025610045570065540085470154201253401452901652301851602508将表 1 中的数据导入 origin 中拟合得到电流12第 1 期冯宇，等:利用光电效应实验仪测量液体浓度ig与浓度 c 的图像，如图 4 所示。Ig/(1010A)图 4拟合图像通过图 4 的结果易得:当其余条件不变时，随着浓度 c 增大，光电效应实验仪输出的电流 ig随之减小。根据图像可得 2=099，说明两组数据拟合度较高，利用计算机拟合出 y(浓度 c)与 x(电流 ig)的线性关系如下:y=296x+569(2)42准确度检验与误差分析421准确度检验随机配置两组已知浓度的 NaCl 溶液，测量不同浓度对应的光电流大小，并将测量得到的电流ig带入(2)式计算浓度 c 的大小。通过计算浓度c 的实际值和测量值的相对误差，从而验证方案可行性，实验数据如表 2 所示:表 2关于 c 的准确度检验浓度 c的实际值(100%)电流 ig测量值(1010A)浓度 c的测量值(100%)浓度 c 的相对误差/%021506021209023500022904通过表 2 中的数据可看出:浓度 c 的相对误差小于 1%，说明实验方案可行且可信度较高。422误差分析实验过程中溶质溶解过程缓慢，溶液中悬浮的小颗粒溶质会吸收或散射部分光强，导致测得的电流 ig偏小。改进建议为:在入射光的照射下观察，待悬浮的微小颗粒也完全溶解，确定溶液纯净透明再记录数据。此外，NaCl 晶体的纯度也是决定实验结果的重要因素，纯度越高，效果越好。5结语为了得到一种较为简便且具有一定物理性的测量液体浓度的方式，文章基于光电效应实验仪测量可溶物质浓度。通过实验结果易得:本实验操作简便、原理清晰、实验结果可靠且实验原理的物理性较强。本方案除了可以标定液体不同浓度与电流 ig大小的关系，还可以深入研究不同温度、不同溶质时液体浓度与电流 ig大小的关系。可为众多领域的研究人员提供参考方案。参考文献:1 蔡爱平，王海晖基于光谱分析的液体浓度检测系统 J 仪表技术与传感器，2019(11):74-77 2 张娜，何燕，张彦，等基于菲涅尔反射的液体浓度精确测量系统 J 光学技术，2012，38(5):598-601 3 超声波液体浓度测量及控制仪Z 上海:同济大学，2008-01-01 4 曹锦栋，辛文文，刘文宁，等基于声速的液体浓度测量的方法 J 大学物理实验，2017，30(5):67-69 5 杨述武普通物理实验 M 北京:高等教育出版社，2015，11 6 张典成，杨秉松有机液体吸光度检测仪的开发应用 J 甘肃冶金，2016，38(5):75-76，98Measurement of Liquid Concentration by PhotoelectricEffect Experimental InstrumentFENG Yu，WANG Junjie，LIANG Shen，L Xiankui*，ZHENG Yonggang，LIU Wenguang，FENG Jie(College of Physics Electronic Information，Yunnan Normal University，Kunming 650500，China)Abstract:When a certain wavelength of light passes through the liquid，some of the light intensity will beabsorbed by the liquid，and the absorption ability of different concentrations of liquid to the light intensity will bedifferentThe remaining light intensity after liquid absorption will still cause photocurrent to be generated in thephototubeBased on the experimental principle of photoelectric effect，the corresponding photocurrent of the sameliquid at different concentrations was measuredThe calibration curve of the two is drawn，and the linear equationof the two is fitted by computerThat is，the corresponding concentration of the liquid can be calculated only bymeasuring the photocurrent of the liquid after light blocking through the photoelectric effect testerKeywords:photoelectric effect;liquid concentration;photocurrent;photoelectric effect tester22大学物理实验2023 年