各種物理效應(yīng)實(shí)驗(yàn)專(zhuān)題小論文 (2)

1、各種物理效應(yīng)實(shí)驗(yàn)專(zhuān)題小論文專(zhuān)業(yè): 流卓1401 姓名: 戴奕 學(xué)號(hào):3140209101一摘要 本文主要對(duì)各種物理效應(yīng)實(shí)驗(yàn)專(zhuān)題(液晶電光效應(yīng)、多普勒效應(yīng)、光電效應(yīng))實(shí)驗(yàn)作簡(jiǎn)要的論述和總結(jié),涉及了實(shí)驗(yàn)的原理和儀器，測(cè)量方法,著討論了實(shí)驗(yàn)過(guò)程中遇到的問(wèn)題和和數(shù)據(jù)誤差的產(chǎn)生和解決方法，以及對(duì)各種實(shí)驗(yàn)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(yàn)時(shí)在一定溫度范圍內(nèi)觀(guān)察到液晶.1961年,美國(guó)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(kāi)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?yuàn)W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(zhǎng)因?yàn)椴ㄔ春陀^(guān)測(cè)者的相對(duì)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生變化。在運(yùn)動(dòng)的波源前面，波被壓縮，波長(zhǎng)變得較短，頻率變得較高（藍(lán)移blue shift）；在運(yùn)動(dòng)的波源后面時(shí)，會(huì)產(chǎn)生相反的效應(yīng)。波長(zhǎng)變得較長(zhǎng)，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(yàn)證電磁波存在時(shí)發(fā)現(xiàn)的,但運(yùn)用光的經(jīng)典

3、電磁波理論無(wú)法對(duì)光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律做出圓滿(mǎn)的解釋. 1900年，普朗克在研究黑體輻射問(wèn)題時(shí)，先提出了一個(gè)符合實(shí)驗(yàn)結(jié)果的經(jīng)驗(yàn)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(jì)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(shuō)具有劃時(shí)代的意義，但是無(wú)論是普朗克本人還是他的許多同時(shí)代人當(dāng)時(shí)對(duì)這一點(diǎn)都沒(méi)有充分認(rèn)識(shí)。直到1905年愛(ài)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(kāi)關(guān)的工作原理液晶的種類(lèi)很多，僅以常用的TN（扭曲向列）型液晶為例，說(shuō)明其工作原理。TN型光開(kāi)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(zhǎng)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(gè)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(chǎng)拉伸圖1. 液晶光開(kāi)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(huì)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(gè)扭曲了90度。如圖1左圖所示。理論和實(shí)驗(yàn)都證明，上述均勻扭曲排列起來(lái)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(guò)扭曲排列起來(lái)的液晶傳播到下電極表面時(shí)，偏振方向會(huì)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(dòng)電壓的情況下，來(lái)自光源的自然光經(jīng)過(guò)偏振片P1后只剩下平行于透光軸的線(xiàn)偏振光，該線(xiàn)偏振光到達(dá)輸出面時(shí)，其偏振面旋轉(zhuǎn)了90°。這時(shí)光的偏振面與P2的透光軸平行，因而有光通過(guò)。在施加足

6、夠電壓情況下(一般為12伏)，在靜電場(chǎng)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(chǎng)方向排列。于是原來(lái)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(lái)的偏振光的偏振方向在液晶中傳播時(shí)不再旋轉(zhuǎn)，保持原來(lái)的偏振方向到達(dá)下電極。這時(shí)光的偏振方向與P2正交，因而光被關(guān)斷。由于上述光開(kāi)關(guān)在沒(méi)有電場(chǎng)的情況下讓光透過(guò)，加上電場(chǎng)的時(shí)候光被關(guān)斷，因此叫做常通型光開(kāi)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(kāi)關(guān)的電光特性圖2為光線(xiàn)垂直液晶面入射時(shí)本實(shí)驗(yàn)所用液晶相對(duì)透射率（以不加電場(chǎng)時(shí)的透射率為100%）與外加電壓的關(guān)系。由圖2可見(jiàn)，對(duì)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(diǎn)，此后略有變化?？梢愿鶕?jù)此電光特性曲線(xiàn)圖得出液晶的閾值電壓和關(guān)斷電壓。閾值電壓：透過(guò)率為90時(shí)的驅(qū)動(dòng)電壓；關(guān)斷電壓：透過(guò)率為10時(shí)的驅(qū)動(dòng)電壓。液晶的電光特性曲線(xiàn)越陡，即閾值電壓與關(guān)斷電壓的差值越小，由液晶開(kāi)關(guān)單元構(gòu)成的顯示器件允許的驅(qū)動(dòng)路數(shù)就越多。TN型液晶最多允許16路驅(qū)動(dòng)，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(xiàn)的陡度，增加驅(qū)動(dòng)路數(shù)。3液晶光開(kāi)關(guān)的時(shí)間響應(yīng)特性上升時(shí)間：透過(guò)率由10%升到90%所需時(shí)間；下降時(shí)間：透過(guò)率由90%降到10%所需時(shí)間。液晶的響應(yīng)時(shí)間越短，顯示動(dòng)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(guò)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(kāi)關(guān)的視角特性液晶光開(kāi)關(guān)的視角特性表示對(duì)比度與視角的關(guān)系。對(duì)比度定義為光開(kāi)關(guān)打開(kāi)和關(guān)斷時(shí)透射光強(qiáng)度之比，對(duì)比度大于5時(shí)，可以獲得滿(mǎn)意的圖像，對(duì)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(jì)算結(jié)果。圖4中，用與原點(diǎn)的距離表示垂直視角（入射

9、光線(xiàn)方向與液晶屏法線(xiàn)方向的夾角）的大小。由圖4可以看出，液晶的對(duì)比度與垂直與水平視角都有關(guān)，而且具有非對(duì)稱(chēng)性。若我們把具有圖4所示視角特性的液晶開(kāi)關(guān)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，以220度方向向下，并由多個(gè)顯示開(kāi)關(guān)組成液晶顯示屏。則該液晶顯示屏的左右視角特性對(duì)稱(chēng)，在左，右和俯視3個(gè)方向，垂直視角接近60度時(shí)對(duì)比度為5，觀(guān)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(guān)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(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，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(dòng)

10、速率，1為聲源與接收器連線(xiàn)與接收器運(yùn)動(dòng)方向之間的夾角，V2為聲源運(yùn)動(dòng)速率，2為聲源與接收器連線(xiàn)與聲源運(yùn)動(dòng)方向之間的夾角。若聲源保持不動(dòng)，運(yùn)動(dòng)物體上的接收器沿聲源與接收器連線(xiàn)方向以速度V運(yùn)動(dòng)，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(dòng)時(shí)，V取正，反之取負(fù)。若f0保持不變，以光電門(mén)測(cè)量物體的運(yùn)動(dòng)速度，并由儀器對(duì)接收器接收到的頻率自動(dòng)計(jì)數(shù)，根據(jù)（2）式，作f V關(guān)系圖可直觀(guān)驗(yàn)證多普勒效應(yīng)，且由實(shí)驗(yàn)點(diǎn)作直線(xiàn)，其斜率應(yīng)為 k=f0/u ，由此可計(jì)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(mài)及聲源頻率f0 ，

11、通過(guò)設(shè)置使儀器以某種時(shí)間間隔對(duì)接收器接收到的頻率f采樣計(jì)數(shù)，由微處理器按（3）式計(jì)算出接收器運(yùn)動(dòng)速度，由顯示屏顯示Vt關(guān)系圖，或調(diào)閱有關(guān)測(cè)量數(shù)據(jù)，即可得出物體在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的速度變化情況，進(jìn)而對(duì)物體運(yùn)動(dòng)狀況及規(guī)律進(jìn)行研究。（3） 光電效應(yīng) 光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)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(chǎng)的作用下向陽(yáng)極A遷移構(gòu)成光電流，改變外加電壓，測(cè)量出光電流I的大小，即可得出光電管的伏安特性曲線(xiàn)。 光電效應(yīng)的基本實(shí)驗(yàn)事實(shí)如下：（1）對(duì)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(jiàn)，對(duì)一定的頻率，有一電壓U0,當(dāng)時(shí)，電流為零，這個(gè)相對(duì)于陰極的負(fù)值的陽(yáng)極電壓U0，被稱(chēng)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(duì)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(shí)，不論光的強(qiáng)度如何，照射時(shí)間多長(zhǎng)，都沒(méi)有光電流產(chǎn)生。 (5)光電效應(yīng)是瞬時(shí)效應(yīng)。即使入射光的強(qiáng)度非常微弱，只要頻率大于 ，在開(kāi)始照射后立即有光電子產(chǎn)生，所經(jīng)過(guò)的時(shí)間至多為 秒的數(shù)量級(jí)。 按照愛(ài)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(chēng)之為光子的微粒上，但這種微粒仍然保持著頻率（或波長(zhǎng)）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(shí)，一次被金屬中的電子全部吸收，而無(wú)需積累能量的時(shí)間。電子把這能量的一部分用來(lái)克服金屬表面對(duì)它的吸引力，余下的就變?yōu)殡娮与x開(kāi)金屬表面后的動(dòng)能，按照能量守恒原理，愛(ài)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(dòng)能。 由該式可見(jiàn)，入射到金屬表面的光頻率越高，逸出的電子動(dòng)能越大，所以即使陽(yáng)極電位比陰極電位低時(shí)也會(huì)有電子落入陽(yáng)極形成光電流，直至陽(yáng)極電位低于截止電壓，光電流才為零，此時(shí)有關(guān)系： （2）陽(yáng)極電位高于截止電壓后，隨著陽(yáng)極電位的升高，陽(yáng)極對(duì)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(yáng)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(yáng)極，再增加時(shí)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(shí)，電子不能脫離金屬，因而沒(méi)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(xiàn)性函數(shù)，直線(xiàn)斜率k = h/e，只要用實(shí)驗(yàn)方法得出不同的頻率對(duì)應(yīng)的截止電壓，求出直線(xiàn)斜率，就可算出普朗克常數(shù)h。 愛(ài)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(xiàn)可以觀(guān)察透過(guò)率變化情況和響應(yīng)曲線(xiàn)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(diǎn)，此后略有變化。可以根據(jù)此電光特性曲線(xiàn)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(duì)比可以觀(guān)察到液晶的視角特性可以得出：水平方向上全測(cè)量范圍內(nèi)都有良好的視覺(jué)效果既可以獲得不錯(cuò)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(jué)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(jì)算聲速u(mài) = 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(jì)算，t表示室溫。由測(cè)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(chēng)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(zhǎng)被稱(chēng)做極限波長(zhǎng)（或稱(chēng)紅限波長(zhǎng)）.當(dāng)入射光的頻率低于極限頻率時(shí),無(wú)論多強(qiáng)的光都無(wú)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(wú)關(guān). 3、光電效應(yīng)的瞬時(shí)性.實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),只要光的頻率高于金屬的極限頻率,光的亮度無(wú)論強(qiáng)弱,光子的產(chǎn)生都幾乎是瞬時(shí)的,響應(yīng)時(shí)間不超過(guò)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(shí)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(lái)的應(yīng)用 在生活中，液晶最為常見(jiàn)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(jì)算器、時(shí)鐘、電話(huà)、照相機(jī)、辦公設(shè)備、個(gè)人計(jì)算機(jī)，溫度計(jì)、袖珍電視、汽車(chē)儀表盤(pán)等設(shè)備中。有些變色窗戶(hù)中也使用了液晶材料。 額頭溫度計(jì)（液晶變色溫度計(jì)）液晶溫度計(jì)：能安全準(zhǔn)確的測(cè)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(yú)缸、水缸、室內(nèi)、車(chē)內(nèi)等測(cè)試溫度。 液晶用于氣體的檢測(cè)。液晶對(duì)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(cè)定漏氣部位,以保證安全. 測(cè)量的靈敏度可達(dá)百萬(wàn)分之幾. 這對(duì)環(huán)境保護(hù)監(jiān)測(cè)工作有重要價(jià)值. 例如膽甾液晶對(duì)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(dòng)使其發(fā)射和吸收的光譜線(xiàn)變寬，稱(chēng)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(xiàn)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(cè)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(chē)輛等運(yùn)動(dòng)目標(biāo)速度的監(jiān)測(cè)。在醫(yī)學(xué)上利用超聲波的多普勒效應(yīng)來(lái)檢查人體內(nèi)臟的活動(dòng)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(dòng)傳感器，研究物體的運(yùn)動(dòng)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(hào)（或光能）轉(zhuǎn)變成電信號(hào)（或電能）的器件叫光電器件。現(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