1、各種物理(wl)效應(yīng)實(shí)驗(yàn)專題小論文一 摘要(zhiyo)：這三周(sn zhu)我們進(jìn)行了液晶電光效應(yīng)實(shí)驗(yàn)，多普勒效應(yīng)實(shí)驗(yàn)和光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)。1.1液晶電光效應(yīng)：在掌握液晶電光開關(guān)的基本工作原理的基礎(chǔ)上，測量液晶電光開關(guān)的電光特性，由光開關(guān)特性曲線得到液晶的閾值電壓和關(guān)斷電壓、上升時間和下降時間。測量由液晶光開關(guān)矩陣所構(gòu)成的液晶顯示器的視角特性以及在不同視角下的對比度，了解液晶光開關(guān)的工作條件。了解液晶光開關(guān)構(gòu)成圖像矩陣的方法，學(xué)習(xí)和掌握這種矩陣所組成的液晶顯示器構(gòu)成文字和圖形的顯示模式，從而了解一般液晶顯示器件的工作原理。1.2多普勒效應(yīng)：測量超聲接收器運(yùn)動速度與接收頻率之間的關(guān)系，驗(yàn)證多普勒效

2、應(yīng)，并由fV關(guān)系直線的斜率求聲速。利用多普勒效應(yīng)測量物體運(yùn)動過程中多個時間點(diǎn)的速度。研究勻加速直線運(yùn)動，測量力、質(zhì)量與加速度之間的關(guān)系，驗(yàn)證牛頓第二定律。1.3光電效應(yīng)：（1）通過實(shí)驗(yàn)深刻理解愛因斯坦的光電效應(yīng)理論，了解光電效應(yīng)的基本規(guī)律；（2）掌握(zhngw)用光電管進(jìn)行光電效應(yīng)研究的方法；（3）學(xué)習(xí)對光電管伏安特性曲線的處理方法(fngf)，并用以測定普朗克常數(shù)。二 關(guān)鍵詞：液晶(yjng)電光效應(yīng)、多普勒效應(yīng)、光電效應(yīng)三 背景：3.1 1886年,奧地利的植物學(xué)家Reinitzer在做有機(jī)物的溶解試驗(yàn)時在一定溫度范圍內(nèi)觀察到液晶.1961年,美國RCA公司的Heimeier發(fā)現(xiàn)了液晶的

3、一系列電光效應(yīng),并制成了顯示器件.從20世紀(jì)70年代開始,日本公司將液晶與集成電路技術(shù)結(jié)合,制造了一系列的液晶顯示器件。液晶已成為物理學(xué)家、化學(xué)家、生物學(xué)家、工程技術(shù)人員和醫(yī)藥工作者共同關(guān)心和研究的領(lǐng)域，在物理、化學(xué)、電子、生命科學(xué)等諸多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。液晶顯示器件、光導(dǎo)液晶光閥、光調(diào)制器、光路轉(zhuǎn)換開關(guān)等均是利用液晶電光效應(yīng)的原理制成的。因此，掌握液晶電光效應(yīng)從實(shí)用角度或物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)角度都是很有意義的。3.2當(dāng)波源和接收器之間有相對運(yùn)動時，接收器接收到的波的頻率與波源發(fā)出的頻率不同的現(xiàn)象稱為多普勒效應(yīng)。多普勒效應(yīng)在科學(xué)研究，工程技術(shù)，交通管理，醫(yī)療診斷等各方面都有十分廣泛的應(yīng)用。例如：原子

4、，分子和離子由于熱運(yùn)動使其發(fā)射和吸收的光譜線變寬，稱為多普勒增寬，在天體物理和受控?zé)岷司圩儗?shí)驗(yàn)裝置中，光譜線的多普勒增寬已成為一種分析恒星大氣及等離子體物理狀態(tài)的重要測量和診斷手段?；诙嗥绽招?yīng)原理的雷達(dá)系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于導(dǎo)彈，衛(wèi)星，車輛等運(yùn)動目標(biāo)速度的監(jiān)測。在醫(yī)學(xué)上利用超聲波的多普勒效應(yīng)來檢查人體內(nèi)臟的活動情況，血液的流速等。電磁波（光波）與聲波（超聲波）的多普勒效應(yīng)原理是一致的。本實(shí)驗(yàn)既可研究超聲波的多普勒效應(yīng)，又可利用多普勒效應(yīng)將超聲探頭作為運(yùn)動傳感器，研究物體的運(yùn)動狀態(tài)。3.3光電效應(yīng)最初是赫茲在1886年12月進(jìn)行電磁波實(shí)驗(yàn)研究中偶然發(fā)現(xiàn)的，雖然是偶然發(fā)現(xiàn)，但他立即意識到它的重要性，

5、因此在以后的幾個月中他暫時放下了手頭的研究，對這一現(xiàn)象進(jìn)行了專門的研究。雖然赫茲沒能給出光電效應(yīng)以合理的解釋，但赫茲的論文發(fā)表后，光電效應(yīng)成了19世紀(jì)末物理學(xué)中一個非常活躍的研究課題。勒納是赫茲的學(xué)生和助手，很早就(zo ji)對光電效應(yīng)產(chǎn)生了興趣。1920年他發(fā)表論文介紹了他的研究成果，勒納得出，發(fā)射的電子數(shù)正比于入射光所帶的能量，電子的速度和動能與發(fā)射的電子數(shù)目完全無關(guān)，而只與波長有關(guān)，波長減少動能增加，每種金屬對應(yīng)一特定頻率，當(dāng)入射光小于這一頻率時，不發(fā)生光電效應(yīng)。雖然勒納對光電效應(yīng)的規(guī)律認(rèn)識很清楚，但其解釋卻是錯誤的。 1905年，愛伊斯坦在普朗克能量子的啟發(fā)下，提出了光量子的概念，并

6、成功(chnggng)解釋了光電效應(yīng)。接著，密立根對光電效應(yīng)進(jìn)行了10年左右的研究，與1916年發(fā)表論文正是了愛因斯坦的正確性，并精確測出了普朗克常量。從而為量子物理學(xué)的誕生奠定了堅(jiān)實(shí)的理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，愛因斯坦和密立根都因?yàn)楣怆娦?yīng)方面的杰出貢獻(xiàn)，分別于1921年和1923年獲得了諾貝爾物理學(xué)獎。 對光電效應(yīng)的研究，使人們進(jìn)一步認(rèn)識到光的波粒二象性本質(zhì)，促進(jìn)了光電子理論的簡歷和近代物理學(xué)的發(fā)展。利用光電效應(yīng)制成電器件如光電管、光電池、光電倍增管等，已成為生產(chǎn)和科研中不可或缺的傳感和換能器。光電探測器和光電測量儀的應(yīng)用也越來越廣泛(gungfn)。另外，利用光電效應(yīng)還可以制一些光控繼電器，用于自

7、動控制、自動設(shè)計(jì)數(shù)、自動報警、自動跟蹤等。四 論述(lnsh)：4.1液晶電光效應(yīng)(xioyng)實(shí)驗(yàn)：（1）TN型液晶盒結(jié)構(gòu)TN式液晶盒結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1 TN型液晶盒結(jié)構(gòu)圖在涂覆透明電極的兩枚玻璃基板之間，夾有正介電各向異性的向列相液晶薄層，四周用密封材料（一般為環(huán)氧樹脂）密封。玻璃基板內(nèi)側(cè)覆蓋著一層定向?qū)?，通常是一薄層高分子有機(jī)物，經(jīng)定向摩擦處理，可使棒狀液晶分子平行于玻璃表面，沿定向處理的方向排列。上下玻璃表面的定向方向是相互垂直的，這樣，盒內(nèi)液晶分子的取向逐漸扭曲，從上玻璃片到下玻璃片扭曲了90，所以稱為扭曲向列型。（2）扭曲向列型電光(dingung)效應(yīng)圖 型液晶顯示器件顯示原

8、理示意圖圖中液晶盒上下表面各附一片偏振片，其偏振方向與液晶盒表面分子取向相同(xin tn)（所附的偏振片的偏振化方向互相垂直），無外電場作用時，當(dāng)自然光垂直入射，經(jīng)過液晶盒上表面的偏振片后成為線偏振光，與液晶盒上表面分子取向相同，則線偏振光將隨液晶分子軸方向逐漸旋轉(zhuǎn)，平行于液晶盒下表面(biomin)分子軸方向射出（見圖中不通電部分），因此光可通過偏振片射出。對液晶盒施加電壓，當(dāng)達(dá)到某一數(shù)值時，液晶分子長軸開始沿電場方向傾斜，電壓繼續(xù)增加到某一數(shù)值時，除附著在液晶盒上下表面的液晶分子外，所有液晶分子長軸都按電場方向進(jìn)行重排列（見圖2中通電部分），型液晶盒90旋光性完全消失，因此光不能通過偏振

9、片射出。液晶電光曲線圖將液晶盒放在兩片平行偏振片之間，若液晶盒上下表面(biomin)所附的偏振片的偏振化方向相同（與圖放置不同），不加電壓時，入射光通過液晶盒上表面的偏振片形成的線偏振光，經(jīng)過液晶盒后偏振方向隨液晶分子軸旋轉(zhuǎn)，則光不能通過液晶盒下表面的偏振片射出；對液晶盒施加電壓，當(dāng)達(dá)到(d do)某一數(shù)值時，型液晶(yjng)盒旋光性完全消失，因此光能通過偏振片射出。在這種情況下，透過液晶盒下表面的偏振片射出的光強(qiáng)與施加在液晶盒上電壓大小的關(guān)系見圖。其中縱坐標(biāo)為透光強(qiáng)度，橫坐標(biāo)為外加電壓。最大透光強(qiáng)度的10所對應(yīng)的外加電壓值稱為閾值電壓（），標(biāo)志了液晶電光效應(yīng)有可觀察反應(yīng)的開始（或稱起輝）

10、，閾值電壓小，是電光效應(yīng)好的一個重要指標(biāo)。最大透光強(qiáng)度的90對應(yīng)的外加電壓值稱為飽和電壓（），標(biāo)志了獲得最大對比度所需的外加電壓數(shù)值，小則易獲得良好的顯示效果，且降低顯示功耗，對顯示壽命有利。對比度，其中為最大觀察（接收）亮度，為最小亮度。陡度即飽和電壓與閾值電壓之比。（3）TN-LCD結(jié)構(gòu)(jigu)及顯示原理型液晶顯示器件結(jié)構(gòu)參考(cnko)圖，液晶盒上下玻璃片的外側(cè)均貼有偏光片，其中上表面所附偏振片的偏振方向總是與上表面分子取向相同。自然光入射后，經(jīng)過偏振片形成與上表面分子取向相同的線偏振光，入射液晶盒后，偏振方向隨液晶分子長軸旋轉(zhuǎn)，以平行于下表面分子取向的線偏振光射出液晶盒。若下表面所

11、附偏振片偏振方向(fngxing)與下表面分子取向垂直（即與上表面平行），則為黑底白字的常黑型，不通電時，光不能透過顯示器（為黑態(tài)），通電時，90旋光性消失，光可通過顯示器（為白態(tài)）；若偏振片與下表面分子取向相同，則為白底黑字的常白型，如圖2所示結(jié)構(gòu)?？捎糜陲@示數(shù)字、簡單字符及圖案等，有選擇的在各段電極上施加電壓，就可以顯示出不同的圖案。實(shí)驗(yàn)步驟： a光學(xué)導(dǎo)軌上依次為：半導(dǎo)體激光器起偏器液晶盒檢偏器（帶光電探測器）。打開半導(dǎo)體激光器，調(diào)節(jié)各元件高度，使激光依次穿過起偏器、液晶盒、檢偏器，打在光電探測器的通光孔上。b接通主機(jī)電源，將光功率計(jì)調(diào)零，用話筒(hutng)線連接光功率計(jì)和光電轉(zhuǎn)換盒，此

12、時光功率計(jì)顯示的數(shù)值為透過檢偏器的光強(qiáng)大小。旋轉(zhuǎn)檢偏器，觀察光功率計(jì)數(shù)值變化，若最大值小于，可旋轉(zhuǎn)半導(dǎo)體激光器，使最大透射光強(qiáng)大于。最后旋轉(zhuǎn)檢偏器使透射光強(qiáng)達(dá)到最小。c將電壓(diny)表調(diào)至零點(diǎn)，用紅黑導(dǎo)線連接主機(jī)和液晶盒，從零開始逐漸增大電壓，觀察光功率計(jì)讀數(shù)變化，電壓調(diào)至最大值后歸零。d. 從開始逐漸增加電壓(diny)，每隔或記一次電壓及透射光強(qiáng)值，后每隔左右記一次數(shù)據(jù)，后再每隔或記一次數(shù)據(jù)，在關(guān)鍵點(diǎn)附近宜多測幾組數(shù)據(jù)。e作電光曲線圖，縱坐標(biāo)為透射光強(qiáng)值，橫坐標(biāo)為外加電壓值。f用數(shù)字存儲示波器， 測試液晶樣品的電光響應(yīng)曲線。4.2 多普勒效應(yīng)：多普勒效應(yīng)綜合實(shí)驗(yàn)儀由實(shí)驗(yàn)儀，超聲發(fā)射/接

13、收器，紅外發(fā)射/接收器，導(dǎo)軌，運(yùn)動小車，支架，光電門，電磁鐵，彈簧，滑輪，砝碼等組成。實(shí)驗(yàn)儀內(nèi)置微處理器，帶有液晶顯示屏，圖1為實(shí)驗(yàn)儀的面板圖。圖1 多普勒實(shí)驗(yàn)儀面板圖驗(yàn)證多普勒效應(yīng)并由測量數(shù)據(jù)計(jì)算聲速：讓小車以不同速度通過光電門，儀器自動記錄小車通過光電門時的平均運(yùn)動速度及與之對應(yīng)的平均接收頻率。由儀器顯示的fV關(guān)系圖可看出，若測量點(diǎn)成直線，符合（2）式描述(mio sh)的規(guī)律，即直觀驗(yàn)證了多普勒效應(yīng)。用作圖法或線性回歸法計(jì)算fV直線的斜率k，由k計(jì)算聲速u并與聲速的理論值比較，計(jì)算其百分誤差。如圖2所示。所有需固定的附件均安裝在導(dǎo)軌上，并在兩側(cè)的安裝槽上固定。調(diào)節(jié)水平超聲傳感發(fā)生器的高度

14、，使其與超聲接收器（已固定在小車上）在同一個平面上，再調(diào)整紅外接收傳感器高度和方向，使其與紅外發(fā)射器（已固定在小車上）在同一軸線上。將組件電纜接入實(shí)驗(yàn)儀的對應(yīng)接口上。安裝完畢后，讓電磁鐵吸住小車，給小車上的傳感器充電，第一次充電時間約68秒，充滿后(儀器面板充電燈變綠色)可以持續(xù)使用45分鐘。在充電時要注意，必須讓小車上的充電板和電磁鐵上的充電針接觸良好。實(shí)驗(yàn)步驟：1在液晶顯示屏上，選中“多普勒效應(yīng)驗(yàn)證(ynzhng)實(shí)驗(yàn)”，并按“確認(rèn)”；2利用 鍵修改測試總次數(shù)（選擇范圍(fnwi)510，一般選5次），按 ，選中“開始測試”；3準(zhǔn)備好后，按“確認(rèn)”，電磁鐵釋放，測試開始進(jìn)行，儀器自動記錄小

15、車通過光電門時的平均運(yùn)動速度及與之對應(yīng)(duyng)的平均接收頻率；改變小車的運(yùn)動速度，可用以下兩種方式：a砝碼牽引：利用砝碼的不同組合實(shí)現(xiàn)；b用手推動：沿水平方向?qū)π≤囀┮宰兞Γ蛊渫ㄟ^光電門。為便于操作，一般由小到大改變小車的運(yùn)動速度。4每一次測試完成，都有“存入”或“重測”的提示，可根據(jù)實(shí)際情況選擇，“確認(rèn)”后回到測試狀態(tài)，并顯示測試總次數(shù)及已完成的測試次數(shù)；5改變砝碼質(zhì)量（砝碼牽引方式），并退回小車讓磁鐵吸住，按“開始”，進(jìn)行第二次測試；6完成設(shè)定的測量次數(shù)后，儀器自動存儲數(shù)據(jù)，并顯示fV關(guān)系圖及測量數(shù)據(jù)。圖2 多普勒效應(yīng)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)及測量小車水平運(yùn)動安裝示意圖4.3光電效應(yīng)(un din

16、 xio yng)實(shí)驗(yàn)：（1）光電效應(yīng)(un din xio yng)與愛因斯坦方程用合適頻率的光照射在某些金屬表面上時，會有電子從金屬表面逸出，這種現(xiàn)象叫做光電效應(yīng)，從金屬表面逸出的電子叫光電子。為了解釋光電效應(yīng)現(xiàn)象，愛因斯坦提出(t ch)了“光量子”的概念，認(rèn)為對于頻率為 的光波，每個光子的能量為。式中， 為普朗克常數(shù)，它的公認(rèn)值是 =6.626 。按照愛因斯坦的理論，光電效應(yīng)的實(shí)質(zhì)是當(dāng)光子和電子相碰撞時，光子把全部能量傳遞給電子，電子所獲得的能量，一部分用來克服金屬表面對它的約束，其余的能量則成為該光電子逸出金屬表面后的動能。愛因斯坦提出了著名的光電方程：(1),式中，為入射光的頻率，

17、為電子的質(zhì)量，為光電子逸出金屬表面的初速度， 為被光線照射的金屬材料的逸出功，為從金屬逸出的光電子的最大初動能。 由（1）式可見，入射到金屬表面的光頻率越高，逸出的電子動能必然也越大，所以即使陰極不加電壓也會有光電子落入陽極而形成光電流，甚至陽極電位比陰極電位低時也會有光電子落到陽極，直至陽極電位低于某一數(shù)值時，所有光電子都不能到達(dá)陽極，光電流才為零。這個相對(xingdu)于陰極為負(fù)值的陽極電位被稱為(chn wi)光電效應(yīng)的截止電壓。顯然，有（2）。代入（1）式，即有（3） 由上式可知(k zh)，若光電子能量，則不能產(chǎn)生光電子。產(chǎn)生光電效應(yīng)的最低頻率是，通常稱為光電效應(yīng)的截止頻率。不同材

18、料有不同的逸出功，因而也不同。由于光的強(qiáng)弱決定于光量子的數(shù)量，所以光電流與入射光的強(qiáng)度成正比。又因?yàn)橐粋€電子只能吸收一個光子的能量，所以光電子獲得的能量與光強(qiáng)無關(guān)，只與光子的頻 率成正比，將（3）式改寫為（4）上式表明，截止電壓是入射光頻率的線性函數(shù)，如圖2，當(dāng)入射光的頻率時，截止電壓，沒有光電子逸出。圖中的直 線的斜率是一個正的常數(shù)： （5）。由此可見，只要用實(shí)驗(yàn)方法作出不同頻率下的曲線，并求出此曲線的斜率，就可以通過式（5）求出普朗克常數(shù)。其中 是電子的電量。U0-v 直線(zhxin)（2）光電效應(yīng)的伏安(f n)特性曲線下圖是利用光電管進(jìn)行光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)(shyn)的原理圖。頻率為 、強(qiáng)

19、度為 的光線照射到光電管陰極上，即有光電子從陰極逸出。如在陰極K和陽極A之間加正向電壓，它使K、A之間建立起的電場對從光電管陰極逸出的光電子起加速作用，隨著電壓的增加，到達(dá)陽極的光電子將逐漸增多。當(dāng)正向電壓 增加到時，光電流達(dá)到最大，不再增加，此時即稱為飽和狀態(tài)，對應(yīng)的光電流即稱為飽和光電流。光電效應(yīng)(un din xio yng)原理圖由于光電子從陰極表面逸出時具有一定的初速度，所以當(dāng)兩極(lingj)間電位差為零時，仍有光電流I存在，若在兩極間施加一反向電壓，光電流隨之減少；當(dāng)反向電壓達(dá)到截止電壓時，光電流為零。愛因斯坦方程是在同種金屬做陰極和陽極，且陽極很小的理想狀態(tài)下導(dǎo)出的。實(shí)際上做陰

20、極的金屬逸出功比作陽極的金屬逸出功小，所以實(shí)驗(yàn)中存在著如下(rxi)問題：a暗電流和本底電流存在，可利用此，測出截止電壓（補(bǔ)償法）。b陽極電流。制作光電管陰極時，陽極上也會被濺射有陰極材料，所以光入射到陽極上或由陰極反射到陽極上，陽極上也有光電子發(fā)射，就形成陽極電流。由于它們的存在，使得IU曲線較理論曲線下移，如下圖所示。伏安(f n)特性曲線(3)實(shí)驗(yàn)(shyn)步驟1、調(diào)整(tiozhng)儀器(1)連接儀器；接好電源，打開電源開關(guān)，充分預(yù)熱（不少于20分鐘）。(2)在測量電路連接完畢后，沒有給測量信號時，旋轉(zhuǎn)“調(diào)零”旋鈕調(diào)零。每換一次量程，必須重新調(diào)零。(3)取下暗盒光窗口遮光罩，換上365.0nm濾光片，取下汞燈出光窗口的遮光罩，裝好遮光筒，調(diào)節(jié)好暗盒與汞燈距離。 2、測量普朗克常數(shù)（1） 將電壓選擇按鍵開關(guān)置于22V檔，將“電流量程”選擇開關(guān)置于 A檔。將測試儀電流輸入電纜斷開，調(diào)零后重新接上。（2） 將直徑(zhjng)為4mm的光闌和365.0nm的濾色片裝在光電管電暗箱輸入口上。（3） 從高到低調(diào)節(jié)電壓，用“零電流(dinli)法”測量該波長對應(yīng)的，并數(shù)