各種物理效應(yīng)實驗專題小論文 (2)

1、各種物理效應(yīng)實驗專題小論文專業(yè): 流卓1401 姓名: 戴奕 學(xué)號:3140209101一摘要 本文主要對各種物理效應(yīng)實驗專題(液晶電光效應(yīng)、多普勒效應(yīng)、光電效應(yīng))實驗作簡要的論述和總結(jié),涉及了實驗的原理和儀器，測量方法,著討論了實驗過程中遇到的問題和和數(shù)據(jù)誤差的產(chǎn)生和解決方法，以及對各種實驗原理在生活，生產(chǎn)中的應(yīng)用的思考。二關(guān)鍵詞:液晶電光效應(yīng)、多普勒效應(yīng)、光電效應(yīng)三背景 1888年,奧地利的植物學(xué)家Reinitzer在做有機(jī)物的溶解試驗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

2、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. 多普勒效應(yīng)Doppler effect是為紀(jì)念奧地利物理學(xué)家及數(shù)學(xué)家克里斯琴·約翰·多普勒（Christian Johann Doppler）而命名的，他于1842年首先提出了這一理論。主要內(nèi)容為物體輻射的波長因為波源和觀測者的相對運(yùn)動而產(chǎn)生變化。在運(yùn)動的波源前面，波被壓縮，波長變得較短，頻率變得較高（藍(lán)移blue shift）；在運(yùn)動的波源后面時，會產(chǎn)生相反的效應(yīng)。波長變得較長，頻率變得較低（紅移red shift）；波源的速度越高，所產(chǎn)生的效應(yīng)越大。 光電效應(yīng)現(xiàn)象是1887年赫茲在驗證電磁波存在時發(fā)現(xiàn)的,但運(yùn)用光的經(jīng)典

3、電磁波理論無法對光電效應(yīng)的實驗規(guī)律做出圓滿的解釋. 1900年，普朗克在研究黑體輻射問題時，先提出了一個符合實驗結(jié)果的經(jīng)驗公式，為了從理論上推導(dǎo)出這一公式，他采用了玻爾茲曼的統(tǒng)計方法，假定黑體內(nèi)的能量是由不連續(xù)的能量子構(gòu)成，能量子的能量為hv。能量子的假說具有劃時代的意義，但是無論是普朗克本人還是他的許多同時代人當(dāng)時對這一點都沒有充分認(rèn)識。直到1905年愛因斯坦根據(jù)普朗克的能量子假設(shè)提出了光量子理論正確地解釋了光電效應(yīng)。4 論述（1）液晶電光效應(yīng) 1液晶光開關(guān)的工作原理液晶的種類很多，僅以常用的TN（扭曲向列）型液晶為例，說明其工作原理。TN型光開關(guān)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。在兩塊玻璃板之間夾有正性向

4、列相液晶，液晶分子的形狀如同火柴一樣，為棍狀。棍的長度在十幾埃（1埃 10-10米 ），直徑為46埃，液晶層厚度一般為5-8微米。玻璃板的內(nèi)表面涂有透明電極，電極的表面預(yù)先作了定向處理（可用軟絨布朝一個方向摩擦，也可在電入射的自然光偏振片P1偏振片P2出射光扭曲排列的液晶分子具有光波導(dǎo)效應(yīng)光波導(dǎo)已被電場拉伸圖1. 液晶光開關(guān)的工作原理極表面涂取向劑），這樣，液晶分子在透明電極表面就會躺倒在摩擦所形成的微溝槽里；電極表面的液晶分子按一定方向排列，且上下電極上的定向方向相互垂直。上下電極之間的那些液晶分子因范德瓦爾斯力的作用，趨向于平行排列。然而由于上下電極上液晶的定向方向相互垂直，所以從俯視方向

5、看，液晶分子的排列從上電極的沿45度方向排列逐步地、均勻地扭曲到下電極的沿45度方向排列，整個扭曲了90度。如圖1左圖所示。理論和實驗都證明，上述均勻扭曲排列起來的結(jié)構(gòu)具有光波導(dǎo)的性質(zhì)，即偏振光從上電極表面透過扭曲排列起來的液晶傳播到下電極表面時，偏振方向會旋轉(zhuǎn)90度。取兩張偏振片貼在玻璃的兩面，P1的透光軸與上電極的定向方向相同，P2的透光軸與下電極的定向方向相同，于是P1和P2的透光軸相互正交。在未加驅(qū)動電壓的情況下，來自光源的自然光經(jīng)過偏振片P1后只剩下平行于透光軸的線偏振光，該線偏振光到達(dá)輸出面時，其偏振面旋轉(zhuǎn)了90°。這時光的偏振面與P2的透光軸平行，因而有光通過。在施加足

6、夠電壓情況下(一般為12伏)，在靜電場的作用下，除了基片附近的液晶分子被基片“錨定”以外，其他液晶分子趨于平行于電場方向排列。于是原來的扭曲結(jié)構(gòu)被破壞，成了均勻結(jié)構(gòu)，如圖1右圖所示。從P1透射出來的偏振光的偏振方向在液晶中傳播時不再旋轉(zhuǎn)，保持原來的偏振方向到達(dá)下電極。這時光的偏振方向與P2正交，因而光被關(guān)斷。由于上述光開關(guān)在沒有電場的情況下讓光透過，加上電場的時候光被關(guān)斷，因此叫做常通型光開關(guān)，又叫做常白模式。若P1和P2的透光軸相互平行，則構(gòu)成常黑模式。液晶可分為熱致液晶與溶致液晶。熱致液晶在一定的溫度范圍內(nèi)呈現(xiàn)液晶的光學(xué)各向異性，溶致液晶是溶質(zhì)溶于溶劑中形成的液晶。目前用于顯示器件的都是熱

7、致液晶，它的特性隨溫度的改變而有一定變化。2液晶光開關(guān)的電光特性圖2為光線垂直液晶面入射時本實驗所用液晶相對透射率（以不加電場時的透射率為100%）與外加電壓的關(guān)系。由圖2可見，對于常白模式的液晶，其透射率隨外加電壓的升高而逐漸降低，在一定電壓下達(dá)到最低點，此后略有變化?？梢愿鶕?jù)此電光特性曲線圖得出液晶的閾值電壓和關(guān)斷電壓。閾值電壓：透過率為90時的驅(qū)動電壓；關(guān)斷電壓：透過率為10時的驅(qū)動電壓。液晶的電光特性曲線越陡，即閾值電壓與關(guān)斷電壓的差值越小，由液晶開關(guān)單元構(gòu)成的顯示器件允許的驅(qū)動路數(shù)就越多。TN型液晶最多允許16路驅(qū)動，故常用于數(shù)碼顯示。在電腦，電視等需要高分辨率的顯示器件中，常采用S

8、TN（超扭曲向列）型液晶，以改善電光特性曲線的陡度，增加驅(qū)動路數(shù)。3液晶光開關(guān)的時間響應(yīng)特性上升時間：透過率由10%升到90%所需時間；下降時間：透過率由90%降到10%所需時間。液晶的響應(yīng)時間越短，顯示動態(tài)圖像的效果越好，這是液晶顯示器的重要指標(biāo)。早期的液晶顯示器在這方面遜色于其它顯示器，現(xiàn)在通過結(jié)構(gòu)方面的技術(shù)改進(jìn)，已達(dá)到很好的效果。4液晶光開關(guān)的視角特性液晶光開關(guān)的視角特性表示對比度與視角的關(guān)系。對比度定義為光開關(guān)打開和關(guān)斷時透射光強(qiáng)度之比，對比度大于5時，可以獲得滿意的圖像，對比度小于2，圖像就模糊不清了。圖4表示了某種液晶視角特性的理論計算結(jié)果。圖4中，用與原點的距離表示垂直視角（入射

9、光線方向與液晶屏法線方向的夾角）的大小。由圖4可以看出，液晶的對比度與垂直與水平視角都有關(guān)，而且具有非對稱性。若我們把具有圖4所示視角特性的液晶開關(guān)逆時針旋轉(zhuǎn)，以220度方向向下，并由多個顯示開關(guān)組成液晶顯示屏。則該液晶顯示屏的左右視角特性對稱，在左，右和俯視3個方向，垂直視角接近60度時對比度為5，觀看效果較好。在仰視方向?qū)Ρ榷入S著垂直視角的加大迅速降低，觀看效果差。（2） 多普勒效應(yīng) 超聲的多普勒效應(yīng)根據(jù)聲波的多普勒效應(yīng)公式，當(dāng)聲源與接收器之間有相對運(yùn)動時，接收器接收到的頻率f為：f = f0（u+V1cos1）/（uV2cos2） （1）式中f0為聲源發(fā)射頻率，u為聲速，V1為接收器運(yùn)動

10、速率，1為聲源與接收器連線與接收器運(yùn)動方向之間的夾角，V2為聲源運(yùn)動速率，2為聲源與接收器連線與聲源運(yùn)動方向之間的夾角。若聲源保持不動，運(yùn)動物體上的接收器沿聲源與接收器連線方向以速度V運(yùn)動，則從（1）式可得接收器接收到的頻率應(yīng)為：f = f0（1+V/u） （2）當(dāng)接收器向著聲源運(yùn)動時，V取正，反之取負(fù)。若f0保持不變，以光電門測量物體的運(yùn)動速度，并由儀器對接收器接收到的頻率自動計數(shù)，根據(jù)（2）式，作f V關(guān)系圖可直觀驗證多普勒效應(yīng)，且由實驗點作直線，其斜率應(yīng)為 k=f0/u ，由此可計算出聲速 u=f0/k 。由（2）式可解出：V = u（f/f0 1） （3）若已知聲速u及聲源頻率f0 ，

11、通過設(shè)置使儀器以某種時間間隔對接收器接收到的頻率f采樣計數(shù)，由微處理器按（3）式計算出接收器運(yùn)動速度，由顯示屏顯示Vt關(guān)系圖，或調(diào)閱有關(guān)測量數(shù)據(jù)，即可得出物體在運(yùn)動過程中的速度變化情況，進(jìn)而對物體運(yùn)動狀況及規(guī)律進(jìn)行研究。（3） 光電效應(yīng) 光電效應(yīng)的實驗原理如圖1所示。入射光照射到光電管陰極K上，產(chǎn)生的光電子在電場的作用下向陽極A遷移構(gòu)成光電流，改變外加電壓，測量出光電流I的大小，即可得出光電管的伏安特性曲線。 光電效應(yīng)的基本實驗事實如下：（1）對應(yīng)于某一頻率,光電效應(yīng)的I- 關(guān)系如圖2所示。從圖中可見，對一定的頻率，有一電壓U0,當(dāng)時，電流為零，這個相對于陰極的負(fù)值的陽極電壓U0，被稱為截止電

12、壓。 (2)當(dāng)后，I迅速增加，然后趨于飽和，飽和光電流IM的大小與入射光的強(qiáng)度P成正比。 (3)對于不同頻率的光，其截止電壓的值不同，如圖3所示。 (4)截止電壓U0與頻率 的關(guān)系如圖4所示，與 成正比。當(dāng)入射光頻率低于某極限值（ 隨不同金屬而異）時，不論光的強(qiáng)度如何，照射時間多長，都沒有光電流產(chǎn)生。 (5)光電效應(yīng)是瞬時效應(yīng)。即使入射光的強(qiáng)度非常微弱，只要頻率大于 ，在開始照射后立即有光電子產(chǎn)生，所經(jīng)過的時間至多為 秒的數(shù)量級。 按照愛因斯坦的光量子理論，光能并不像電磁波理論所想象的那樣，分布在波陣面上，而是集中在被稱之為光子的微粒上，但這種微粒仍然保持著頻率（或波長）的概念，頻率為 的光子

13、具有能量E = h，h為普朗克常數(shù)。當(dāng)光子照射到金屬表面上時，一次被金屬中的電子全部吸收，而無需積累能量的時間。電子把這能量的一部分用來克服金屬表面對它的吸引力，余下的就變?yōu)殡娮与x開金屬表面后的動能，按照能量守恒原理，愛因斯坦提出了著名的光電效應(yīng)方程： （1）式中，A為金屬的逸出功，為光電子獲得的初始動能。 由該式可見，入射到金屬表面的光頻率越高，逸出的電子動能越大，所以即使陽極電位比陰極電位低時也會有電子落入陽極形成光電流，直至陽極電位低于截止電壓，光電流才為零，此時有關(guān)系： （2）陽極電位高于截止電壓后，隨著陽極電位的升高，陽極對陰極發(fā)射的電子的收集作用越強(qiáng)，光電流隨之上升；當(dāng)陽極電壓高到

14、一定程度，已把陰極發(fā)射的光電子幾乎全收集到陽極，再增加時I不再變化，光電流出現(xiàn)飽和，飽和光電流 的大小與入射光的強(qiáng)度P成正比。 光子的能量<A時，電子不能脫離金屬，因而沒有光電流產(chǎn)生。產(chǎn)生光電效應(yīng)的最低頻率（截止頻率）是=A/h。 將(2)式代入(1)式可得： （3）此式表明截止電壓是頻率 的線性函數(shù)，直線斜率k = h/e，只要用實驗方法得出不同的頻率對應(yīng)的截止電壓，求出直線斜率，就可算出普朗克常數(shù)h。 愛因斯坦的光量子理論成功地解釋了光電效應(yīng)規(guī)律。5 結(jié)論（1） 液晶電光效應(yīng)結(jié)論 1、由記錄數(shù)據(jù)和所作電光特性曲線可以觀察透過率變化情況和響應(yīng)曲線可以得出：透射率隨外加電壓的升高而逐漸降

15、低，在一定電壓下達(dá)到最低點，此后略有變化?？梢愿鶕?jù)此電光特性曲線圖得出液晶的閾值電壓和關(guān)斷電壓：閾值電壓:1.08V 關(guān)斷電壓:1.55V 2、由表3和表4的對比可以觀察到液晶的視角特性可以得出：水平方向上全測量范圍內(nèi)都有良好的視覺效果既可以獲得不錯的圖像，而在垂直方向上僅在-8.0度6.0度之間有較好的視覺效果，其余角度都很難獲得清晰的圖像。（2） 多普勒效應(yīng)結(jié)論 由k計算聲速u = f0/k，并與聲速的理論值比較，聲速理論值由u0 = 331(1t/273)1/2 (米/秒)計算，t表示室溫。由測量數(shù)據(jù)得出的結(jié)果v=333.4m/s,與理論值v=340m/s誤差1.9，符合多普勒效應(yīng)的公式

16、。（3）光電效應(yīng)結(jié)論 1、每一種金屬在產(chǎn)生光電效應(yīng)是都存在一極限頻率（或稱截止頻率）,即照射光的頻率不能低于某一臨界值.相應(yīng)的波長被稱做極限波長（或稱紅限波長）.當(dāng)入射光的頻率低于極限頻率時,無論多強(qiáng)的光都無光電子逸出. 2、光電效應(yīng)中產(chǎn)生的光電子的速度與光的頻率有關(guān),而與光強(qiáng)無關(guān). 3、光電效應(yīng)的瞬時性.實驗發(fā)現(xiàn),只要光的頻率高于金屬的極限頻率,光的亮度無論強(qiáng)弱,光子的產(chǎn)生都幾乎是瞬時的,響應(yīng)時間不超過十的負(fù)九次方秒（1ns）. 光電效應(yīng) 4、入射光的強(qiáng)度只影響光電流的強(qiáng)弱,即只影響在單位時間內(nèi)由單位面積是逸出的光電子數(shù)目.6 應(yīng)用前景1.液晶在現(xiàn)在與未來的應(yīng)用 在生活中，液晶最為常見的應(yīng)用

17、是液晶顯示器?，F(xiàn)在，它已經(jīng)廣泛應(yīng)用于手表、計算器、時鐘、電話、照相機(jī)、辦公設(shè)備、個人計算機(jī)，溫度計、袖珍電視、汽車儀表盤等設(shè)備中。有些變色窗戶中也使用了液晶材料。 額頭溫度計（液晶變色溫度計）液晶溫度計：能安全準(zhǔn)確的測試溫度，包括體溫、水溫、氣體及各種固體物表面等。適用于奶瓶、酒瓶、飲料、冰箱、水壺、魚缸、水缸、室內(nèi)、車內(nèi)等測試溫度。 液晶用于氣體的檢測。液晶對氣體和蒸汽污染的靈敏度高于氧,氮及惰性氣體. 它能記錄有害氣體的濃度,并能精確測定漏氣部位,以保證安全. 測量的靈敏度可達(dá)百萬分之幾. 這對環(huán)境保護(hù)監(jiān)測工作有重要價值. 例如膽甾液晶對不同有機(jī)溶劑氣體可顯示不同的顏色。 在醫(yī)療應(yīng)用方面，

18、在淺層腫瘤的診斷方面液晶也有著十分巨大的發(fā)展空間。2.多普勒效應(yīng)原理的應(yīng)用 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，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)岷司圩儗嶒炑b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。本實驗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.光電效應(yīng)在近代技術(shù)中的應(yīng)用 我們把將光信號（或光能）轉(zhuǎn)變成電信號（或電能）的器件叫光電器件?，F(xiàn)已有光敏管、光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管、光敏組件、色敏器件、光敏可控硅器件、光耦合器、光電池等光電器件。這些器件