各种物理效应实验专题小论文Word格式.docx

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因此，掌握液晶电光效应从实用角度或物理实验教学角度都是很有意义的。

3.2当波源和接收器之间有相对运动时，接收器接收到的波的频率与波源发出的频率不同的现象称为多普勒效应。

多普勒效应在科学研究，工程技术，交通管理，医疗诊断等各方面都有十分广泛的应用。

例如：

原子，分子和离子由于热运动使其发射和吸收的光谱线变宽，称为多普勒增宽，在天体物理和受控热核聚变实验装置中，光谱线的多普勒增宽已成为一种分析恒星大气及等离子体物理状态的重要测量和诊断手段。

基于多普勒效应原理的雷达系统已广泛应用于导弹，卫星，车辆等运动目标速度的监测。

在医学上利用超声波的多普勒效应来检查人体内脏的活动情况，血液的流速等。

电磁波（光波）与声波（超声波）的多普勒效应原理是一致的。

本实验既可研究超声波的多普勒效应，又可利用多普勒效应将超声探头作为运动传感器，研究物体的运动状态。

3.3光电效应最初是赫兹在1886年12月进行电磁波实验研究中偶然发现的，虽然是偶然发现，但他立即意识到它的重要性，因此在以后的几个月中他暂时放下了手头的研究，对这一现象进行了专门的研究。

虽然赫兹没能给出光电效应以合理的解释，但赫兹的论文发表后，光电效应成了19世纪末物理学中一个非常活跃的研究课题。

勒纳是赫兹的学生和助手，很早就对光电效应产生了兴趣。

1920年他发表论文介绍了他的研究成果，勒纳得出，发射的电子数正比于入射光所带的能量，电子的速度和动能与发射的电子数目完全无关，而只与波长有关，波长减少动能增加，每种金属对应一特定频率，当入射光小于这一频率时，不发生光电效应。

虽然勒纳对光电效应的规律认识很清楚，但其解释却是错误的。

1905年，爱伊斯坦在普朗克能量子的启发下，提出了光量子的概念，并成功解释了光电效应。

接着，密立根对光电效应进行了10年左右的研究，与1916年发表论文正是了爱因斯坦的正确性，并精确测出了普朗克常量。

从而为量子物理学的诞生奠定了坚实的理论和实验基础，爱因斯坦和密立根都因为光电效应方面的杰出贡献，分别于1921年和1923年获得了诺贝尔物理学奖。

对光电效应的研究，使人们进一步认识到光的波粒二象性本质，促进了光电子理论的简历和近代物理学的发展。

利用光电效应制成电器件如光电管、光电池、光电倍增管等，已成为生产和科研中不可或缺的传感和换能器。

光电探测器和光电测量仪的应用也越来越广泛。

另外，利用光电效应还可以制一些光控继电器，用于自动控制、自动设计数、自动报警、自动跟踪等。

四论述：

4.1液晶电光效应实验：

（1）TN型液晶盒结构

TN式液晶盒结构如图1所示。

图1TN型液晶盒结构图

在涂覆透明电极的两枚玻璃基板之间，夹有正介电各向异性的向列相液晶薄层，四周用密封材料（一般为环氧树脂）密封。

玻璃基板内侧覆盖着一层定向层，通常是一薄层高分子有机物，经定向摩擦处理，可使棒状液晶分子平行于玻璃表面，沿定向处理的方向排列。

上下玻璃表面的定向方向是相互垂直的，这样，盒内液晶分子的取向逐渐扭曲，从上玻璃片到下玻璃片扭曲了90°

，所以称为扭曲向列型。

（2）扭曲向列型电光效应

图２中液晶盒上下表面各附一片偏振片，其偏振方向与液晶盒表面分子取向相同（所附的偏振片的偏振化方向互相垂直），无外电场作用时，当自然光垂直入射，经过液晶盒上表面的偏振片后成为线偏振光，与液晶盒上表面分子取向相同，则线偏振光将随液晶分子轴方向逐渐旋转

，平行于液晶盒下表面分子轴方向射出（见图２中不通电部分），因此光可通过偏振片射出。

对液晶盒施加电压，当达到某一数值时，液晶分子长轴开始沿电场方向倾斜，电压继续增加到某一数值时，除附着在液晶盒上下表面的液晶分子外，所有液晶分子长轴都按电场方向进行重排列（见图2中通电部分），

型液晶盒90°

旋光性完全消失，因此光不能通过偏振片射出。

将液晶盒放在两片平行偏振片之间，若液晶盒上下表面所附的偏振片的偏振化方向相同（与图２放置不同），不加电压时，入射光通过液晶盒上表面的偏振片形成的线偏振光，经过液晶盒后偏振方向随液晶分子轴旋转

，则光不能通过液晶盒下表面的偏振片射出；

对液晶盒施加电压，当达到某一数值时，

型液晶盒

旋光性完全消失，因此光能通过偏振片射出。

在这种情况下，透过液晶盒下表面的偏振片射出的光强与施加在液晶盒上电压大小的关系见图３。

其中纵坐标为透光强度，横坐标为外加电压。

最大透光强度的10％所对应的外加电压值称为阈值电压（

），标志了液晶电光效应有可观察反应的开始（或称起辉），阈值电压小，是电光效应好的一个重要指标。

最大透光强度的90％对应的外加电压值称为饱和电压（

），标志了获得最大对比度所需的外加电压数值，

小则易获得良好的显示效果，且降低显示功耗，对显示寿命有利。

对比度

，其中

为最大观察（接收）亮度，

为最小亮度。

陡度

即饱和电压与阈值电压之比。

（3）TN-LCD结构及显示原理

型液晶显示器件结构参考图２，液晶盒上下玻璃片的外侧均贴有偏光片，其中上表面所附偏振片的偏振方向总是与上表面分子取向相同。

自然光入射后，经过偏振片形成与上表面分子取向相同的线偏振光，入射液晶盒后，偏振方向随液晶分子长轴旋转

，以平行于下表面分子取向的线偏振光射出液晶盒。

若下表面所附偏振片偏振方向与下表面分子取向垂直（即与上表面平行），则为黑底白字的常黑型，不通电时，光不能透过显示器（为黑态），通电时，90°

旋光性消失，光可通过显示器（为白态）；

若偏振片与下表面分子取向相同，则为白底黑字的常白型，如图2所示结构。

可用于显示数字、简单字符及图案等，有选择的在各段电极上施加电压，就可以显示出不同的图案。

（4）实验步骤：

a．光学导轨上依次为：

半导体激光器－起偏器－液晶盒－检偏器（带光电探测器）。

打开半导体激光器，调节各元件高度，使激光依次穿过起偏器、液晶盒、检偏器，打在光电探测器的通光孔上。

b．接通主机电源，将光功率计调零，用话筒线连接光功率计和光电转换盒，此时光功率计显示的数值为透过检偏器的光强大小。

旋转检偏器，观察光功率计数值变化，若最大值小于，可旋转半导体激光器，使最大透射光强大于。

最后旋转检偏器使透射光强达到最小。

c．将电压表调至零点，用红黑导线连接主机和液晶盒，从零开始逐渐增大电压，观察光功率计读数变化，电压调至最大值后归零。

d.从０开始逐渐增加电压，每隔或记一次电压及透射光强值，后每隔左右记一次数据，后再每隔或记一次数据，在关键点附近宜多测几组数据。

e．作电光曲线图，纵坐标为透射光强值，横坐标为外加电压值。

f．用数字存储示波器，测试液晶样品的电光响应曲线。

4.2多普勒效应：

多普勒效应综合实验仪由实验仪，超声发射/接收器，红外发射/接收器，导轨，运动小车，支架，光电门，电磁铁，弹簧，滑轮，砝码等组成。

实验仪内置微处理器，带有液晶显示屏，图1为实验仪的面板图。

验证多普勒效应并由测量数据计算声速：

让小车以不同速度通过光电门，仪器自动记录小车通过光电门时的平均运动速度及与之对应的平均接收频率。

由仪器显示的f－V关系图可看出，若测量点成直线，符合

（2）式描述的规律，即直观验证了多普勒效应。

用作图法或线性回归法计算f－V直线的斜率k，由k计算声速u并与声速的理论值比较，计算其百分误差。

如图2所示。

所有需固定的附件均安装在导轨上，并在两侧的安装槽上固定。

调节水平超声传感发生器的高度，使其与超声接收器（已固定在小车上）在同一个平面上，再调整红外接收传感器高度和方向，使其与红外发射器（已固定在小车上）在同一轴线上。

将组件电缆接入实验仪的对应接口上。

安装完毕后，让电磁铁吸住小车，给小车上的传感器充电，第一次充电时间约6～8秒，充满后（仪器面板充电灯变绿色）可以持续使用4～5分钟。

在充电时要注意，必须让小车上的充电板和电磁铁上的充电针接触良好。

实验步骤：

1．在液晶显示屏上，选中“多普勒效应验证实验”，并按“确认”；

2．利用键修改测试总次数（选择范围5~10，一般选5次），按▼，选中“开始测试”；

3．准备好后，按“确认”，电磁铁释放，测试开始进行，仪器自动记录小车通过光电门时的平均运动速度及与之对应的平均接收频率；

改变小车的运动速度，可用以下两种方式：

a．砝码牵引：

利用砝码的不同组合实现；

b．用手推动：

沿水平方向对小车施以变力，使其通过光电门。

为便于操作，一般由小到大改变小车的运动速度。

4．每一次测试完成，都有“存入”或“重测”的提示，可根据实际情况选择，“确认”后回到测试状态，并显示测试总次数及已完成的测试次数；

5．改变砝码质量（砝码牵引方式），并退回小车让磁铁吸住，按“开始”，进行第二次测试；

6．完成设定的测量次数后，仪器自动存储数据，并显示f－V关系图及测量数据。

4.3光电效应实验：

（1）光电效应与爱因斯坦方程

用合适频率的光照射在某些金属表面上时，会有电子从金属表面逸出，这种现象叫做光电效应，从金属表面逸出的电子叫光电子。

为了解释光电效应现象，爱因斯坦提出了“光量子”的概念，认为对于频率为

的光波，每个光子的能量为

。

式中，

为普朗克常数，它的公认值是

=6.626

按照爱因斯坦的理论，光电效应的实质是当光子和电子相碰撞时，光子把全部能量传递给电子，电子所获得的能量，一部分用来克服金属表面对它的约束，其余的能量则成为该光电子逸出金属表面后的动能。

爱因斯坦提出了著名的光电方程：

（1）,式中，

为入射光的频率，

为电子的质量，

为光电子逸出金属表面的初速度，

为被光线照射的金属材料的逸出功，

为从金属逸出的光电子的最大初动能。

由

（1）式可见，入射到金属表面的光频率越高，逸出的电子动能必然也越大，所以即使阴极不加电压也会有光电子落入阳极而形成光电流，甚至阳极电位比阴极电位低时也会有光电子落到阳极，直至阳极电位低于某一数值时，所有光电子都不能到达阳极，光电流才为零。

这个相对于阴极为负值的阳极电位

被称为光电效应的截止电压。

显然，有

（2）。

代入

（1）式，即有

（3）

由上式可知，若光电子能量

，则不能产生光电子。

产生光电效应的最低频率是

，通常称为光电效应的截止频率。

不同材料有不同的逸出功，因而

也不同。

由于光的强弱决定于光量子的数量，所以光电流与入射光的强度成正比。

又因为一个电子只能吸收一个光子的能量，所以光电子获得的能量与光强无关，只与光子

的频

率成正比，，将（3）式改写为

（4）

上式表明，截止电压

是入射光频率

的线性函数，如图2，当入射光的频率

时，截止电压

，没有光电子逸出。

图中的直线的斜率

是一个正的常数：

（5）。

由此可见，只要用实验方法作出不同频率下的

曲线，并求出此曲线的斜率，就可以通过式（5）求出普朗克常数

其中

是电子的电量。

U0-v直线

（2）光电效应的伏安特性曲线

下图是利用光电管进行光电效应实验的原理图。

频率为

、强度为

的光线照射到光电管阴极上，即有光电子从阴极逸出。

如在阴极K和阳极A之间加正向电压

，它使K、A之间建立起的电场对从光电管阴极逸出的光电子起加速作用，随着电压

的增加，到达阳极的光电子将逐渐增多。

当正向电压

增加到

时，光电流达到最大，不再增加，此时即称为饱和状态，对应的光电流即称为饱和光电流。

光电效应原理图

由于光电子从阴极表面逸出时具有一定的初速度，所以当两极间电位差为零时，仍有光电流I存在，若在两极间施加一反向电压，光电流随之减少；

当反向电压达到截止电压时，光电流为零。

爱因斯坦方程是在同种金属做阴极和阳极，且阳极很小的理想状态下导出的。

实际上做阴极的金属逸出功比作阳极的金属逸出功小，所以实验中存在着如下问题：

a暗电流和本底电流存在，可利用此，测出截止电压（补偿法）。

b阳极电流。

制作光电管阴极时，阳极上也会被溅射有阴极材料，所以光入射到阳极上或由阴极反射到阳极上，阳极上也有光电子发射，就形成阳极电流。

由于它们的存在，使得I～U曲线较理论曲线下移，如下图所示。

伏安特性曲线

（3）实验步骤

1、调整仪器

（1）连接仪器；

接好电源，打开电源开关，充分预热（不少于20分钟）。

（2）在测量电路连接完毕后，没有给测量信号时，旋转“调零”旋钮调零。

每换一次量程，必须重新调零。

（3）取下暗盒光窗口遮光罩，换上365.0nm滤光片，取下汞灯出光窗口的遮光罩，装好遮光筒，调节好暗盒与汞灯距离。

2、测量普朗克常数

（1）将电压选择按键开关置于–2～＋2V档，将“电流量程”选择开关置于A档。

将测试仪电流输入电缆断开，调零后重新接上。

（2）将直径为4mm的光阑和365.0nm的滤色片装在光电管电暗箱输入口上。

（3）从高到低调节电压，用“零电流法”测量该波长对应的，并数据记录。

（4）依次换上404.7nm、435.8nm、546.1nm、577.0nm的滤色片，重复步骤

（1）、

（2）、（3）。

（5）测量三组数据你，然后对取平均值。

3、测量光电管的伏安特性曲线

（1）暗盒光窗口装365.0nm滤光片和4mm光阑，缓慢调节电压旋钮，令电压输出值缓慢由0V伏增加到30V，每隔1V记一个电流值。

但注意在电流值为零处记下截止电压值.

（2）在暗盒光窗口上换上404.7nm滤光片，仍用4mm的光阑，重复步骤

（1）。

（3）选择合适的坐标，分别作出两种光阑下的光电管伏安特性曲线U～I

五结论：

液晶光电效应实验中，我们记录了液晶光开关不同电压下的透射率，得到了其平均值，并依据实验数据绘制了电光特性曲线，得出了阈值电压和关断电压。

在多普勒效应实验中，我们计算得出了声速，并计算了与理论值的百分误差。

光电效应实验中，我们根据实验数据，绘制了遏止电压与频率的关系曲线，计算出了普朗克常数和截止频率，并求出了普朗克常数的百分误差。

还绘制了相应的伏安特性曲线。

六时间：

2015.11.29

七参考文献：

《大学物理实验》——许伯强