第八章-課后習(xí)題及答案自己講課用.ppt

1、第八章 課后習(xí)題及答案,8.1 什么叫外光電效應(yīng)？由愛因斯坦光電效應(yīng)方程式得出的兩個(gè)基本概念是什么？,P230 答：1. 光線照射在某些物體上，使物體內(nèi)的電子逸出物體表面的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)。 2.1 光的波長(zhǎng)越短，也就是頻率越高，光子的能量也越大； 2.2 光的波長(zhǎng)越長(zhǎng)，其光子的能量也就越小。,8.2 什么叫內(nèi)光電效應(yīng)？什么叫內(nèi)光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)？,P231 答：1. 當(dāng)光照射在物體上，使物體的電阻率發(fā)生變化，或產(chǎn)生光電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象稱為內(nèi)光電效應(yīng)。 2. 在光線作用下，電子吸收光子能量從鍵合狀態(tài)過(guò)渡到自由狀態(tài)，而引起材料電阻率的變化，這種現(xiàn)象稱為光電導(dǎo)效應(yīng)。 3. 在光線作用下能夠使物體

2、產(chǎn)生一定方向電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象叫光生伏特效應(yīng)。,8.3 試述光電管的簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)及其光譜特性、伏安特性、光電特性和暗電流的特點(diǎn)。,P232 答：1. 首先光電管有真空光電管和充氣光電管兩類，兩者結(jié)構(gòu)類似。就真空光電管來(lái)說(shuō)它是一個(gè)真空玻璃泡內(nèi)裝有兩個(gè)電極：光電陰極和陽(yáng)極。 2. 光譜特性：一般對(duì)于光電陰極材料不同的光電管，它們具有不同的紅限頻率v0，因此它們可用于不同的光譜范圍。除此之外，即使照射在陰極上的入射光的頻率高于紅限頻率v0，并且強(qiáng)度相同，隨著入射光頻率的不同，陰極發(fā)射的光電子數(shù)量還會(huì)不同。即同一光電管對(duì)于不同頻率的光的靈敏度不同，這就是光電管的光譜特性。,3. 伏安特性：當(dāng)入射光的頻譜及光通量

3、一定時(shí)，陽(yáng)極電壓與陽(yáng)極電流之間的關(guān)系稱為伏安特性。 4. 光電特性：當(dāng)光電管陽(yáng)極與陰極間所加電壓和入射光頻譜一定時(shí)，陽(yáng)極電流I與入射光在光電陰極上的光通量之間的關(guān)系。 5. 暗電流的特點(diǎn)：沒有光信號(hào)輸入時(shí)，加上電壓后陽(yáng)極仍有電流。,8.4 試述光電倍增管的結(jié)構(gòu)和工作原理與光電管的異同點(diǎn)。若入射光子為103個(gè)（1個(gè)光子等效于1個(gè)電子電量）。光電倍增管共有16個(gè)倍增極，輸出陽(yáng)極電流為20A，且16個(gè)倍增極二次發(fā)射電子數(shù)按自然數(shù)的平方遞增，試求光電倍增管的電流放大倍數(shù)和倍增系數(shù)。,P234 答：1. 它由光電陰極，若干倍增極和陽(yáng)極三部分組成。 2. 工作原理：入射光在光電陰極上激發(fā)出光電子，由于各極

4、間有電場(chǎng)存在，所以陰極激發(fā)出的光電子被加速后轟擊第一倍增極，第一倍增極受到一定能量的電子轟擊后，能放出更多的電子，稱為“二次電子”，每個(gè)極都能接受前一極的二次電子，而在各個(gè)倍增極上順序加上越來(lái)越高的正電壓。,這樣如果在光電陰極上由于入射光的作用發(fā)射出一個(gè)光電子，這個(gè)電子被第一倍增極的正電壓所加速而轟擊第一倍增極，設(shè)第一倍增極有個(gè)二次電子發(fā)出，這個(gè)電子又被第二倍增極加速后轟擊第二倍增極，而產(chǎn)生的二次電子又增加倍，由此經(jīng)過(guò)n個(gè)倍增極后，原先的一個(gè)光電子將變?yōu)閚個(gè)電子，這些電子最后被陽(yáng)極所收集而在外電路形成電流。 3.解：=I/i =20/1000*1.6*10-19 =1.25*10-17 =12

5、+22+32+.+162 =1.496*103,8.5 試比較光敏電阻、光電池、光敏二極管和光敏三極管的性能差異，給出什么情況下應(yīng)選用哪種器件最為合適的評(píng)述。,答：1. 光敏電阻的光電流和電壓成線性關(guān)系。不同的光照度可以得到不同的伏安特性，表明電阻值隨光照度發(fā)生變化。光照度不變的情況下，電壓越高，光電流也越大，而且沒有飽和現(xiàn)象。由于光敏電阻的光照特性是非線性的，因此不適宜作線性敏感元件 ，這是光敏電 阻的缺點(diǎn)之一。所以在自動(dòng)控制中光敏電阻常用作開關(guān)量的光電傳感器 。 2. 光電池的特點(diǎn)是工作時(shí)不需要外加偏壓，接收面積小，使用方便。缺點(diǎn)是響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)。光電池的光照特性為開路電壓與光照度之間為對(duì)數(shù)關(guān)

6、系，因而具有飽和性。因此，把硅光電池作為敏感元件時(shí)，應(yīng)該把它當(dāng)作電流源的形式使用，即利用短路電流與光照度成線性的特點(diǎn)，這是硅光電池的主要優(yōu)點(diǎn)。,3. 光敏二極管的光照特性亦呈良好線性，這是由于它的電流靈敏度一般為常數(shù)。而光敏三極管在弱光時(shí)靈敏度低些，在強(qiáng)光時(shí)則有飽和現(xiàn)象，這是由于電流放大倍數(shù)的非線性所至，對(duì)弱信號(hào)的檢測(cè)不利。故一般在作線性檢測(cè)元件時(shí)，可選擇光敏二極管而不能用光敏三極管。 4. 光敏三極管的光電流比同類型的光敏二極管大好幾十倍，零偏壓時(shí)，光敏二極管有光電流輸出，而光敏三極管則無(wú)光電流輸出。原因是它們都能產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì)，只因光電三極管的集電結(jié)在無(wú)反向偏壓時(shí)沒有放大作用，所以此時(shí)沒有

7、電流輸出（或僅有很小的漏電流）。,8.6 光電效應(yīng)器件中哪種響應(yīng)快？比較內(nèi)光電效應(yīng)器件的頻率特性。,答：1. 光伏效應(yīng)中，與光照相聯(lián)系的是少數(shù)載流子的行為，因?yàn)樯贁?shù)載流子的壽命通常很短，所以以光伏效應(yīng)為基礎(chǔ)的檢測(cè)器件比以光電導(dǎo)效應(yīng)為基礎(chǔ)的檢測(cè)器件有更快的響應(yīng)速度。 2. 光敏電阻：其頻率特性與材料有關(guān) 光敏管：具有一定頻率的調(diào)制光照射光敏管時(shí)，光敏管輸出的光電流（或負(fù)載上的電壓）隨調(diào)制頻率而變化。其頻率響應(yīng)與其自身的物理結(jié)構(gòu)、工作狀態(tài)、負(fù)載以及入射光波長(zhǎng)等因素有關(guān)。 光電池：其頻率特性是輸出電流隨調(diào)制光頻率變化的關(guān)系。,8.7 當(dāng)采用波長(zhǎng)為800-900nm的紅外光源時(shí)，宜采用哪幾種光電器件作

8、為測(cè)量元件？為什么？,答：硅光電池，鍺管等 硅光電池的光譜響應(yīng)范圍在400-1200nm范圍，用紅外光進(jìn)行探測(cè)時(shí)鍺管較為適宜。,8.8 試分別使用光敏電阻、光電池、光敏二極管和光敏三極管設(shè)計(jì)一個(gè)適合TTL電平輸出的光電開關(guān)電路，并敘述其工作原理。,使用開關(guān)量來(lái)控制，串聯(lián)光敏電阻、光電池、光敏二極管作為開關(guān)。三極管注意極性，e接地，b為接受光源端，c接電源+。,8.9 假如打算設(shè)計(jì)一種光電傳感器，用于控制路燈的自動(dòng)亮滅（天黑自動(dòng)點(diǎn)亮，天明自動(dòng)熄滅）。試問(wèn)可以選擇哪種光電器件？這里利用該光電器件什么特性？,8.10 光電轉(zhuǎn)速傳感器的測(cè)量原理是將被測(cè)軸的轉(zhuǎn)速變換成相應(yīng)頻率的脈沖信號(hào)，然后，測(cè)出脈沖頻

9、率即可測(cè)得轉(zhuǎn)速的數(shù)值。試根據(jù)這一思路畫出光電轉(zhuǎn)速傳感器的檢測(cè)變換部分的工作原理示意圖，圖中的光電轉(zhuǎn)換元件選用哪種光電器件比較合適？為什么？,8.11 利用光敏三極管和NPN硅三極管實(shí)現(xiàn)圖8-38的控制電路，并敘述其工作過(guò)程。,8.12 簡(jiǎn)述發(fā)光二極管的工作原理及其光譜特性。,在某些半導(dǎo)體材料的PN結(jié)中，電子與空穴(電洞)復(fù)合時(shí)會(huì)把多余的能量以光的形式釋放出來(lái)，從而把電能直接轉(zhuǎn)換為光能。 課件有,8.13 光電耦合器的基本結(jié)構(gòu)是什么？它有哪些優(yōu)點(diǎn)？,發(fā)光器件與光敏元件集成 優(yōu)點(diǎn)(1) 能夠有效抑制接地回路的噪聲,消除地干擾,使信號(hào)現(xiàn)場(chǎng)與主控制端在電氣上完全隔離,避免了主控制系統(tǒng)受到意外損壞. (

10、2) 可以在不同電位和不同阻抗之間傳輸電信號(hào),且對(duì)信號(hào)具有放大和整形等功能,使得實(shí)際電路設(shè)計(jì)大為簡(jiǎn)化. (3) 開關(guān)速度快,高速光電耦合器的響應(yīng)速度到達(dá)ns數(shù)量級(jí),極大的拓展了光電耦合器在數(shù)字信號(hào)處理中的應(yīng)用. (4) 體積小,器件多采用雙列直插封裝,具有單通道、雙通道以及多達(dá)八通道等多種結(jié)構(gòu),使用十分方便.,(5) 可替代變壓器隔離,不會(huì)因觸點(diǎn)跳動(dòng)而產(chǎn)生尖峰噪聲,且抗震動(dòng)和抗沖擊能力強(qiáng). (6) 高線性型光電耦合器除了用于電源監(jiān)測(cè)等,還被用于醫(yī)用設(shè)備,能有效地保護(hù)病人的人生安全. 具有體積小、使用壽命長(zhǎng)、工作溫度范圍寬、抗干擾性能強(qiáng)無(wú)觸點(diǎn)且輸入與輸出在電氣上完全隔離等。,8.14 試敘述光纖

11、傳感器所用光纖的結(jié)構(gòu)和傳光原理。,課件有 光導(dǎo)纖維工作的基礎(chǔ)是光的全內(nèi)反射，當(dāng)射入的光線的入射角大于纖維包層間的臨界角時(shí)，就會(huì)在光纖的接口上產(chǎn)生全內(nèi)反射，并在光纖內(nèi)部以后的角度反復(fù)逐次反射，直至傳遞到另一端面。,8.15 什么是單模光纖和多模光纖？并敘述駐波和模的關(guān)系。,答：?jiǎn)文９饫w(Single Mode Fiber)：中心纖芯很細(xì)(芯徑一般為9或10m)，只能傳一種模式的光。因此，其模間色散很小，適用于遠(yuǎn)程通訊，但還存在著材料色散和波導(dǎo)色散，這樣單模光纖對(duì)光源的譜寬和穩(wěn)定性有較高的要求，即譜寬要窄，穩(wěn)定性要好。 多模光纖(Multi Mode Fiber) 芯較粗(50或62.5m)，可傳

12、多種模式的光。但其模間色散較大，這就限制了傳輸數(shù)字信號(hào)的頻率，而且隨距離的增加會(huì)更加嚴(yán)重。因此，多模光纖傳輸?shù)木嚯x就比較近，一般只有幾公里。,8.16 在自由空間，波長(zhǎng)0=500m的光從真空進(jìn)入金剛石（nd=2.4）。在通常情況下當(dāng)光通過(guò)不同物質(zhì)時(shí)頻率是不變的，試計(jì)算金剛石中該光波的速度和波長(zhǎng)。,解： v=c/nd =c/2.4=0.4167c ，c為光速； =0 / nd =0 /2.4=0.41670 =208.3m ， 0 為光速,8.17 利用Snell定律推導(dǎo)出臨界角c的表達(dá)式。計(jì)算水與空氣分界面（n水=1.33）的c值。,解：n水sinc =n0 sin/2=n0 sinc= n0

13、 / n水 c =arcsin1/1.33=48.76,8.18 求光纖n1=1.46，n2=1.45的NA值；如果外部的n0=1，求光纖的臨界入射角。,解：當(dāng)n0 =1時(shí) NA= = =0.1706 所以， c =sin-1 NA =9.82,8.19 一邁克爾遜干涉儀用平均波長(zhǎng)為634.8nm、線寬0.0013nm的鎘紅光源，初始位置時(shí)光成差為零，然后，慢慢移動(dòng)圖8-52所示系統(tǒng)中的可移動(dòng)四面體5，直到條紋再消失。求該鏡子必須移動(dòng)多少距離？它相當(dāng)于多少個(gè)波長(zhǎng)？,8.20 光纖傳感器有哪兩大類型？它們之間有何區(qū)別？,光纖傳感器可以分為兩大類：一類是功能型（傳感型）傳感器；另一類是非功能型（傳

14、光型）傳感器。 功能型傳感器是利用光纖本身的特性把光纖作為敏感元件，被測(cè)量對(duì)光纖內(nèi)傳輸?shù)墓膺M(jìn)行調(diào)制，使傳輸?shù)墓獾膹?qiáng)度、相位、頻率或偏振態(tài)等特性發(fā)生變化，再通過(guò)對(duì)被調(diào)制過(guò)的信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，從而得出被測(cè)信號(hào)。 非功能型傳感器是利用其它敏感元件感受被測(cè)量的變化，光纖僅作為信息的傳輸介質(zhì)。,8.21 相位調(diào)制型光纖傳感器的基本檢測(cè)方法是什么？該類傳感器的主要技術(shù)難點(diǎn)是什么？,試說(shuō)明相位調(diào)制傳感器的工作原理、應(yīng)用及特點(diǎn)。 352答：其基本原理是利用被測(cè)對(duì)象對(duì)敏感元件的作用，使敏感元件的折射率或變化，而導(dǎo)致光的相位變化，然后用干涉儀來(lái)檢測(cè)這種相位變化而得到被測(cè)對(duì)象的信息。通常有：利用光彈效應(yīng)的聲、壓力或振動(dòng)

15、傳感器；利用磁致伸縮效應(yīng)的電流、磁場(chǎng)傳感器；利用電致伸縮的電場(chǎng)、電壓傳感器以及利用Sagnac效應(yīng)的旋轉(zhuǎn)角速度傳感器(光纖陀螺)等。這類傳感器的靈敏度很高，但由于需用特殊光纖及高精度檢測(cè)系統(tǒng)，因此成本高。,8.22 根據(jù)頻率調(diào)制原理，設(shè)計(jì)一個(gè)用光纖傳感器測(cè)試石油管道中原油流速的系統(tǒng)，并敘述其工作原理。,試說(shuō)明頻率調(diào)制光纖傳感器的工作原理、應(yīng)用。 360答：這是一種利用由被測(cè)對(duì)象引起的光頻率的變化來(lái)進(jìn)行監(jiān)測(cè)的傳感器。通常有利用運(yùn)動(dòng)物體反射光和散射光的多普勒效應(yīng)的光纖速度、流速、振動(dòng)、壓力、加速度傳感器；利用物質(zhì)受強(qiáng)光照射時(shí)的喇曼散射構(gòu)成的測(cè)量氣體濃度或監(jiān)測(cè)大氣污染的氣體傳感器；以及利用光致發(fā)光的溫度傳感器等。,8.23 試說(shuō)明有關(guān)輻射的基爾霍夫定律、斯忒藩-波爾茲曼定律和維思位移定律各自所闡述的側(cè)重點(diǎn)是什么？,8.24 計(jì)算一塊氧化鐵被加熱到100時(shí)，它能輻射出多少瓦的能量？（鐵塊的比輻射率在100時(shí)為0.09，鐵塊表面積為0.9m2）。,解： E=T