各种物理效应实验专题小论文 (2)

1、各种物理效应实验专题小论文专业: 流卓1401 姓名: 戴奕 学号:3140209101一摘要 本文主要对各种物理效应实验专题(液晶电光效应、多普勒效应、光电效应)实验作简要的论述和总结,涉及了实验的原理和仪器，测量方法,着讨论了实验过程中遇到的问题和和数据误差的产生和解决方法，以及对各种实验原理在生活，生产中的应用的思考。二关键词:液晶电光效应、多普勒效应、光电效应三背景 1888年,奥地利的植物学家Reinitzer在做有机物的溶解试验时在一定温度范围内观察到液晶.1961年,美国RCA公司的Heimeier发现了液晶的一系列电光效应,并制成了显示器件.从20世纪70年代开始,日本公司将液

2、晶与集成电路技术结合,制造了一系列的液晶显示器件. 多普勒效应Doppler effect是为纪念奥地利物理学家及数学家克里斯琴·约翰·多普勒（Christian Johann Doppler）而命名的，他于1842年首先提出了这一理论。主要内容为物体辐射的波长因为波源和观测者的相对运动而产生变化。在运动的波源前面，波被压缩，波长变得较短，频率变得较高（蓝移blue shift）；在运动的波源后面时，会产生相反的效应。波长变得较长，频率变得较低（红移red shift）；波源的速度越高，所产生的效应越大。 光电效应现象是1887年赫兹在验证电磁波存在时发现的,但运用光的经典

3、电磁波理论无法对光电效应的实验规律做出圆满的解释. 1900年，普朗克在研究黑体辐射问题时，先提出了一个符合实验结果的经验公式，为了从理论上推导出这一公式，他采用了玻尔兹曼的统计方法，假定黑体内的能量是由不连续的能量子构成，能量子的能量为hv。能量子的假说具有划时代的意义，但是无论是普朗克本人还是他的许多同时代人当时对这一点都没有充分认识。直到1905年爱因斯坦根据普朗克的能量子假设提出了光量子理论正确地解释了光电效应。4 论述（1）液晶电光效应 1液晶光开关的工作原理液晶的种类很多，仅以常用的TN（扭曲向列）型液晶为例，说明其工作原理。TN型光开关的结构如图1所示。在两块玻璃板之间夹有正性向

4、列相液晶，液晶分子的形状如同火柴一样，为棍状。棍的长度在十几埃（1埃 10-10米 ），直径为46埃，液晶层厚度一般为5-8微米。玻璃板的内表面涂有透明电极，电极的表面预先作了定向处理（可用软绒布朝一个方向摩擦，也可在电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导效应光波导已被电场拉伸图1. 液晶光开关的工作原理极表面涂取向剂），这样，液晶分子在透明电极表面就会躺倒在摩擦所形成的微沟槽里；电极表面的液晶分子按一定方向排列，且上下电极上的定向方向相互垂直。上下电极之间的那些液晶分子因范德瓦尔斯力的作用，趋向于平行排列。然而由于上下电极上液晶的定向方向相互垂直，所以从俯视方向

5、看，液晶分子的排列从上电极的沿45度方向排列逐步地、均匀地扭曲到下电极的沿45度方向排列，整个扭曲了90度。如图1左图所示。理论和实验都证明，上述均匀扭曲排列起来的结构具有光波导的性质，即偏振光从上电极表面透过扭曲排列起来的液晶传播到下电极表面时，偏振方向会旋转90度。取两张偏振片贴在玻璃的两面，P1的透光轴与上电极的定向方向相同，P2的透光轴与下电极的定向方向相同，于是P1和P2的透光轴相互正交。在未加驱动电压的情况下，来自光源的自然光经过偏振片P1后只剩下平行于透光轴的线偏振光，该线偏振光到达输出面时，其偏振面旋转了90°。这时光的偏振面与P2的透光轴平行，因而有光通过。在施加足

6、够电压情况下(一般为12伏)，在静电场的作用下，除了基片附近的液晶分子被基片“锚定”以外，其他液晶分子趋于平行于电场方向排列。于是原来的扭曲结构被破坏，成了均匀结构，如图1右图所示。从P1透射出来的偏振光的偏振方向在液晶中传播时不再旋转，保持原来的偏振方向到达下电极。这时光的偏振方向与P2正交，因而光被关断。由于上述光开关在没有电场的情况下让光透过，加上电场的时候光被关断，因此叫做常通型光开关，又叫做常白模式。若P1和P2的透光轴相互平行，则构成常黑模式。液晶可分为热致液晶与溶致液晶。热致液晶在一定的温度范围内呈现液晶的光学各向异性，溶致液晶是溶质溶于溶剂中形成的液晶。目前用于显示器件的都是热

7、致液晶，它的特性随温度的改变而有一定变化。2液晶光开关的电光特性图2为光线垂直液晶面入射时本实验所用液晶相对透射率（以不加电场时的透射率为100%）与外加电压的关系。由图2可见，对于常白模式的液晶，其透射率随外加电压的升高而逐渐降低，在一定电压下达到最低点，此后略有变化。可以根据此电光特性曲线图得出液晶的阈值电压和关断电压。阈值电压：透过率为90时的驱动电压；关断电压：透过率为10时的驱动电压。液晶的电光特性曲线越陡，即阈值电压与关断电压的差值越小，由液晶开关单元构成的显示器件允许的驱动路数就越多。TN型液晶最多允许16路驱动，故常用于数码显示。在电脑，电视等需要高分辨率的显示器件中，常采用S

8、TN（超扭曲向列）型液晶，以改善电光特性曲线的陡度，增加驱动路数。3液晶光开关的时间响应特性上升时间：透过率由10%升到90%所需时间；下降时间：透过率由90%降到10%所需时间。液晶的响应时间越短，显示动态图像的效果越好，这是液晶显示器的重要指标。早期的液晶显示器在这方面逊色于其它显示器，现在通过结构方面的技术改进，已达到很好的效果。4液晶光开关的视角特性液晶光开关的视角特性表示对比度与视角的关系。对比度定义为光开关打开和关断时透射光强度之比，对比度大于5时，可以获得满意的图像，对比度小于2，图像就模糊不清了。图4表示了某种液晶视角特性的理论计算结果。图4中，用与原点的距离表示垂直视角（入射

9、光线方向与液晶屏法线方向的夹角）的大小。由图4可以看出，液晶的对比度与垂直与水平视角都有关，而且具有非对称性。若我们把具有图4所示视角特性的液晶开关逆时针旋转，以220度方向向下，并由多个显示开关组成液晶显示屏。则该液晶显示屏的左右视角特性对称，在左，右和俯视3个方向，垂直视角接近60度时对比度为5，观看效果较好。在仰视方向对比度随着垂直视角的加大迅速降低，观看效果差。（2） 多普勒效应 超声的多普勒效应根据声波的多普勒效应公式，当声源与接收器之间有相对运动时，接收器接收到的频率f为：f = f0（u+V1cos1）/（uV2cos2） （1）式中f0为声源发射频率，u为声速，V1为接收器运动

10、速率，1为声源与接收器连线与接收器运动方向之间的夹角，V2为声源运动速率，2为声源与接收器连线与声源运动方向之间的夹角。若声源保持不动，运动物体上的接收器沿声源与接收器连线方向以速度V运动，则从（1）式可得接收器接收到的频率应为：f = f0（1+V/u） （2）当接收器向着声源运动时，V取正，反之取负。若f0保持不变，以光电门测量物体的运动速度，并由仪器对接收器接收到的频率自动计数，根据（2）式，作f V关系图可直观验证多普勒效应，且由实验点作直线，其斜率应为 k=f0/u ，由此可计算出声速 u=f0/k 。由（2）式可解出：V = u（f/f0 1） （3）若已知声速u及声源频率f0 ，

11、通过设置使仪器以某种时间间隔对接收器接收到的频率f采样计数，由微处理器按（3）式计算出接收器运动速度，由显示屏显示Vt关系图，或调阅有关测量数据，即可得出物体在运动过程中的速度变化情况，进而对物体运动状况及规律进行研究。（3） 光电效应 光电效应的实验原理如图1所示。入射光照射到光电管阴极K上，产生的光电子在电场的作用下向阳极A迁移构成光电流，改变外加电压，测量出光电流I的大小，即可得出光电管的伏安特性曲线。 光电效应的基本实验事实如下：（1）对应于某一频率,光电效应的I- 关系如图2所示。从图中可见，对一定的频率，有一电压U0,当时，电流为零，这个相对于阴极的负值的阳极电压U0，被称为截止电

12、压。 (2)当后，I迅速增加，然后趋于饱和，饱和光电流IM的大小与入射光的强度P成正比。 (3)对于不同频率的光，其截止电压的值不同，如图3所示。 (4)截止电压U0与频率 的关系如图4所示，与 成正比。当入射光频率低于某极限值（ 随不同金属而异）时，不论光的强度如何，照射时间多长，都没有光电流产生。 (5)光电效应是瞬时效应。即使入射光的强度非常微弱，只要频率大于 ，在开始照射后立即有光电子产生，所经过的时间至多为 秒的数量级。 按照爱因斯坦的光量子理论，光能并不像电磁波理论所想象的那样，分布在波阵面上，而是集中在被称之为光子的微粒上，但这种微粒仍然保持着频率（或波长）的概念，频率为 的光子

13、具有能量E = h，h为普朗克常数。当光子照射到金属表面上时，一次被金属中的电子全部吸收，而无需积累能量的时间。电子把这能量的一部分用来克服金属表面对它的吸引力，余下的就变为电子离开金属表面后的动能，按照能量守恒原理，爱因斯坦提出了著名的光电效应方程： （1）式中，A为金属的逸出功，为光电子获得的初始动能。 由该式可见，入射到金属表面的光频率越高，逸出的电子动能越大，所以即使阳极电位比阴极电位低时也会有电子落入阳极形成光电流，直至阳极电位低于截止电压，光电流才为零，此时有关系： （2）阳极电位高于截止电压后，随着阳极电位的升高，阳极对阴极发射的电子的收集作用越强，光电流随之上升；当阳极电压高到

14、一定程度，已把阴极发射的光电子几乎全收集到阳极，再增加时I不再变化，光电流出现饱和，饱和光电流 的大小与入射光的强度P成正比。 光子的能量<A时，电子不能脱离金属，因而没有光电流产生。产生光电效应的最低频率（截止频率）是=A/h。 将(2)式代入(1)式可得： （3）此式表明截止电压是频率 的线性函数，直线斜率k = h/e，只要用实验方法得出不同的频率对应的截止电压，求出直线斜率，就可算出普朗克常数h。 爱因斯坦的光量子理论成功地解释了光电效应规律。5 结论（1） 液晶电光效应结论 1、由记录数据和所作电光特性曲线可以观察透过率变化情况和响应曲线可以得出：透射率随外加电压的升高而逐渐降

15、低，在一定电压下达到最低点，此后略有变化。可以根据此电光特性曲线图得出液晶的阈值电压和关断电压：阈值电压:1.08V 关断电压:1.55V 2、由表3和表4的对比可以观察到液晶的视角特性可以得出：水平方向上全测量范围内都有良好的视觉效果既可以获得不错的图像，而在垂直方向上仅在-8.0度6.0度之间有较好的视觉效果，其余角度都很难获得清晰的图像。（2） 多普勒效应结论 由k计算声速u = f0/k，并与声速的理论值比较，声速理论值由u0 = 331(1t/273)1/2 (米/秒)计算，t表示室温。由测量数据得出的结果v=333.4m/s,与理论值v=340m/s误差1.9，符合多普勒效应的公式

16、。（3）光电效应结论 1、每一种金属在产生光电效应是都存在一极限频率（或称截止频率）,即照射光的频率不能低于某一临界值.相应的波长被称做极限波长（或称红限波长）.当入射光的频率低于极限频率时,无论多强的光都无光电子逸出. 2、光电效应中产生的光电子的速度与光的频率有关,而与光强无关. 3、光电效应的瞬时性.实验发现,只要光的频率高于金属的极限频率,光的亮度无论强弱,光子的产生都几乎是瞬时的,响应时间不超过十的负九次方秒（1ns）. 光电效应 4、入射光的强度只影响光电流的强弱,即只影响在单位时间内由单位面积是逸出的光电子数目.6 应用前景1.液晶在现在与未来的应用 在生活中，液晶最为常见的应用

17、是液晶显示器。现在，它已经广泛应用于手表、计算器、时钟、电话、照相机、办公设备、个人计算机，温度计、袖珍电视、汽车仪表盘等设备中。有些变色窗户中也使用了液晶材料。 额头温度计（液晶变色温度计）液晶温度计：能安全准确的测试温度，包括体温、水温、气体及各种固体物表面等。适用于奶瓶、酒瓶、饮料、冰箱、水壶、鱼缸、水缸、室内、车内等测试温度。 液晶用于气体的检测。液晶对气体和蒸汽污染的灵敏度高于氧,氮及惰性气体. 它能记录有害气体的浓度,并能精确测定漏气部位,以保证安全. 测量的灵敏度可达百万分之几. 这对环境保护监测工作有重要价值. 例如胆甾液晶对不同有机溶剂气体可显示不同的颜色。 在医疗应用方面，

18、在浅层肿瘤的诊断方面液晶也有着十分巨大的发展空间。2.多普勒效应原理的应用 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.光电效应在近代技术中的应用 我们把将光信号（或光能）转变成电信号（或电能）的器件叫光电器件。现已有光敏管、光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管、光敏组件、色敏器件、光敏可控硅器件、光耦合器、光电池等光电器件。这些器件