功能材料基础实验讲义

功能材料基础实验讲义仪器介绍实验指导物理与材料工程学院光电子实验中心目录CSY-998G光电应用综合实验仪实验一三棱镜的分光实验实验二硅光电池实验实验三光敏二极管的特性实验实验四颜色检测实验实验五光敏三极管特性实验实验六光源及光调制解调实验实验七液体浊度检测演示实验实验八太阳能电池追踪实验实验九光敏电阻实验实验十热释电红外传感器实验第二章数字智能化热学综合实验仪（YJ-RZ-4A）实验十一金属线膨胀系数的测定实验十二非良导体热导率的测量实验十三热敏电阻温度特性的研究实验十四金属电阻温度系数的测定实验十五冷却法测定金属的比热容实验十六热电偶的定标第三章温度传感器特性测试实验仪（FB812）实验十七铂热电阻（Pt100）的温度特性实验实验十八PN结温度传感器的温度特性实验 实验十九集成温度传感器（AD590）的温度特性实验第四章太阳能电池特性实验仪（ZKY-SAC-Ⅰ）实验二十太阳能电池板输出伏安特性测试实验第五章霍尔效应实验组合仪（ZKY-HS/HC）实验二十一霍尔效应原理与实验第六章显微熔点仪（SGWX-4B）实验二十二物质的熔点测定第七章自动指示旋光仪（WZZ-1）实验二十三用旋光仪测量旋光性溶液的浓度第八章液体表面张力系数测定仪（FB326）实验二十四用拉脱法测定液体表面张力系数第九章介电常数测定仪（PCM-1A）实验二十五介电常数测定表4中首尾个别位置达不到，可跳过继续实验）根据以上测得的Ui，计算霍尔电压UH值，根据式（5）计算出各点的磁感应强度B，并绘出B-x图，描述电磁铁气隙内x方向上B的分布状态。六、数据记录表SEQ表\*ARABIC1霍尔电压UH与工作电流Is的关系IM=300mA，C=mT/AIs(mA)U1(mV)U2(mV)U3(mV)U4(mV)(mV)+IM，+Is-IM，+Is-IM，-Is+IM，-Is1.002.003.004.005.006.007.008.009.0010.00表SEQ表\*ARABIC2工作电流Is与工作电压Us的关系IM=0mAIs(mA)0.501.001.502.002.503.003.504.004.505.00Us(mV)表SEQ表\*ARABIC3霍尔电压UH与励磁电流IM之间的关系Is=3.00mAIM(mA)U1(mV)U2(mV)U3(mV)U4(mV)(mV)B(mT)+IM，+Is-IM，+Is-IM，-Is+IM，-Is1002003004005006007008009001000表SEQ表\*ARABIC4电磁铁气隙中磁感应强度B的分布IM=600mA，Is=5.00mAX(mm)U1(mV)U2(mV)U3(mV)U4(mV)(mV)B(mT)+IM，+Is-IM，+Is-IM，-Is+IM，-Is024681012152025303540454850第六章显微熔点仪（SGWX-4B）实验二十二物质的熔点测定实验目的1、了解熔点的物理意义及测定方法了解显微熔点仪的结构与使用方法利用显微熔点仪测定样品的熔点实验原理熔点是固体将其物态由固态转变（熔化）为液态的温度，实质上是该物质固、液两相可以共存并处于平衡的温度。物质有晶体和非晶体,晶体有熔点,而非晶体则没有熔点。晶体又因类型不同而熔点也不同.一般来说晶体熔点从高到低为,原子晶体>离子晶体>金属晶体>分子晶体。在分子晶体中又有比较特殊的,如水,氨气等。它们的分子之间因为含有氢键而不符合"同主组元素的氢化物熔点规律性变化''的规律。熔点是一种物质的一个物理性质。物质的熔点并不是固定不变的，有两个因素对熔点影响很大。一是压强，平时所说的物质的熔点，通常是指一个大气压时的情况；如果压强变化，熔点也要发生变化。在有机化学领域中，对于纯粹的有机化合物，一般都有固定熔点。即在一定压力下，固-液两相之间的变化都是非常敏锐的，初熔至全熔的温度不超过0.5~1℃（熔点范围或称熔距、熔程）。但如混有杂质则其熔点下降，且熔距也较长。因此熔点测定是辨认物质本性的基本手段，也是纯度测定的重要方法之一。测定方法一般用毛细管法和显微微量熔点测定法。显微熔点仪（数显）是用来测定物质的熔点仪器。它主要是用于药物、化工、纺织、染料等晶体有机化合物之测定，显微镜观察。实验仪器与试剂显微熔点测定仪、样品，镊子、盖玻片，脱脂棉、乙醇/乙醚1/3混合液显微熔点仪主要参数：X-4B型显微熔点仪为双目体视显微镜，配置变倍物镜和6.3倍及25倍两组目镜与物镜搭配，可获得下列表格的仪器的不同的放大倍率：目镜总放大倍率倍数指示盘6.3×4×、6.3×、10×、16×、25×左侧黑色倍数盘25×16×、25×、40×、63×、100×右侧红色倍数盘物镜工作距离为100mm。使用体视显微镜，所获得立体感觉是由于通过两个目镜从不同的方向在人眼的网膜上形成不同的像而产生的。本显微镜具有45°倾斜的双筒，通过双筒可以观察到视场中正立的具有立体感的物像，其中右侧目镜管上具有视度调节圈。如果观察者双眼视度有差异，可以先调节显微镜使左眼成像清晰，然后旋转右侧视度调节圈至右眼成像清晰。双筒可以在一定角度内相对地转动，以适应观察者两眼之间的距离。测量范围：室温-360℃；测量精度：室温-200℃的误差±1℃；200℃-300℃的误差±2℃；温度显示最小读数：0.1℃；电源220VAC，50Hz,功率80W。实验步骤1、对新购仪器，电源接通，开关打到加热位置，从显微镜中观察热台中心光孔是否处于视场中，若左右偏，可左右调节显微镜来解决。前后不居中，可以松动热台两旁的两只螺钉，注意不要拿下来，只要松动就可以了，然后前后推动热台上下居中即可，锁紧两只螺钉。在做推动热台时，为了防止热台烫伤手指，把波段开关和电位器扳到编号最小位置，即逆时针旋到底。2、进行升温速率调整，这可用秒表式手表来调整。在秒表某一值时，记录下这时的温度值，然后，秒表转一圈（一分钟）时再记录下温度值。这样连续记录下去，直到你所要求测量的熔点值时，其升温速率为1℃/分。太快或太慢可通过粗调和微调旋钮来调节。注意即使粗调和微调旋钮不动，但随着温度的升高，其升温速率会变慢。3、测温仪的传感器上，把其插入热台孔到底即可，若其位置不对，将影响测量准确度。4、打开带有照明装置的显微镜，调节好光源位置和光照强度，对准显微镜目镜视野下方。5、对待测样品要进行干燥处理，或放在干燥缸内进行干燥，粉末要进行研细。将样品均匀平铺在洗净的干燥的载玻片上。6、调节显微镜的焦距使视野明亮清晰。松开显微镜的升降手轮，参考显微镜的工作距离，上下调节显微镜，直到从目镜中能看到熔点热台中央的待测物品轮廓时锁紧该手轮；然后调节调焦手轮，指导能清晰地看到待测物品的像为止。7、打开调压测温仪的电源开关。8、根据被测物品的熔点温度值，控制调温手钮1或2，以其在达到被测物品熔点前的升温过程中，前段（距熔点40℃左右）升温迅速（全部最高电压加热）、中段（距熔点10℃左右）升温减慢，后段（距熔点10℃以下）升温平稳（约每分钟升温1℃）。9、观察被测物品的熔化过程，当温度升至某个温度值（T1）时观察到有小颗晶体的一小部分开始熔为液滴，后来大多数晶体也开始熔化，逐渐变为液珠，此时记录温度(T2)。记录初熔（T1）和全熔（T2）时的温度值，用镊子取下盖玻片，完成一次测量。在数字温度显示最小一位（如8和7之间跳动时）应读为8.5℃。10、在重复测量时，开关处于中间关的状态，这时加热停止。将散热器放在热台上，使温度降至熔点值40℃以下时，放入样品，开关打到加热时，即可进行重复测量。11、测试完毕，应切断电源，当热台冷却到室温时，方可将仪器装入包箱内。12、用过的载玻片可用乙醚擦拭干净，以备下次使用。实验结果定性分析求出样品的熔点和熔程。与理论值比较，分析实验结果产生偏差的主要原因。六、思考题为什么测熔点过程中不同的阶段要进行升温速度的调节？待测样品为什么要进行干燥处理？第七章自动指示旋光仪（WZZ-1）(一)旋光仪（Polarimeter）简介偏振光通过某些透明物质时，其振动面以光的传播方向为轴而旋转一定角度（旋光度）的现象，称为旋光现象。能使偏振光的振动面旋转一定角度的物质，称为旋光物质。旋光仪是用两个尼科耳棱镜分别做起偏镜和检偏镜，依据马吕斯定律可以测量旋光物质的旋光度。半萌式结构，在起偏镜后面再加一石英晶体片，此石英片和起偏镜的一部分在视场中重叠，将视场分为三部分。同时在石英片旁装上一定厚度的玻璃片，以补偿由于石英片产生的光强变化。取石英片的光轴平行于自身表面，并与起偏镜的偏振化方向成一角度(仅几度)。由光源发出的光经起偏镜后成为线偏振光，其中一部分光再经过石英片(其厚度恰使在石英片内分成的光和光的位相差为的奇数倍，出射的合成光仍为线偏振光)，其振动面相对于入射光的偏振面转过了，所以进人旋光物质的光是振动面间的夹角为的两束线偏振光。如图5.5-5中，以OP和OA分别表示起偏镜和检偏镜的偏振轴方向，OP′表示透过石英片后偏振光的振动方向，、分别表示OP、OP′与OA之间的夹角，、分别表示通过起偏镜和起偏镜加石英片的偏振光在检偏镜偏振轴方向上的分量。由图5.5-5可知，当转动检偏镜时，、的大小将发生变化，反映在目镜视场上，将出现明暗的交替变化（如图5.4-5中下半部分），图中列出了四种显著不同的情形。1．如图5.5-5（a），，通过检偏镜观察时，与石英片对应的部分为暗区，与起偏镜对应的部分为亮区，视场被分为清晰的三部分。当时，亮暗的反差最大。2．如图5.5-5（b），，并且、较小，通过检偏镜观察时，视场中三部分界线消失，亮度相等，较暗。3．如图5.5-5（c），，视场又分为三部分，与石英片对应的部分为亮区，与起偏镜对应的部分为暗区，当时，亮暗的反差最大。4．如图5.5-5（d），，并且、较大，视场中三部分界线消失，亮度相等，较亮。当检偏镜处于图5.5-5（b）位置时，如果把检偏镜稍微向左或右偏转，视场马上出现（a）或（c）的情况，（b）情况是介于（a）和（c）的情况之间的短暂状态，所以常取图（b）所示的视场作为参考视场，即仪器的零点。在旋光仪中放上装有旋光性溶液的测试管后、透过起偏镜和石英片的两束偏振光，通过测试管，它们的振动面转过相同的角度，并保持两振动面间的夹角不变。如果转动检偏镜，使视场仍旧回到图5.5-5(b)所示的状态，则检偏镜转过的角度即为被测试溶液的旋光度。仪器采用光学游标跳线对准的读数装置，度盘分度值为，游标分度值。度盘和检偏镜连为一体，通过度盘可以确定检偏镜的位置。为消除度盘偏心差，采用对称读数，即检偏镜某一位置的读数。实验二十三用旋光仪测量旋光性溶液的浓度一、实验目的1．观察与研究旋光现象；2．了解旋光仪的结构原理；3．学习用旋光仪测量旋光性溶液的浓度；二、实验原理偏振光通过某些透明物质时，其振动面以光的传播方向为轴而旋转一定角度的现象，称为旋光现象，能使偏振光的振动面旋转一定角度的物质，称为旋光物质。许多有机化合物，如石油、葡萄糖等，都具有旋光性。由于不同的物质使偏振光的振动面向不同的方向旋转，旋光性可分为左旋和右旋，当观察者迎着光线观察时，振动面向逆时针方向旋转称为左旋(或负旋)，振动面顺时针方向旋转的称为右旋(或正旋)。实验证明，当入射光波长一定时，对于旋光晶体，使偏振面旋转的角度与晶体的厚度成正比，即对于旋光性溶液（5.5-1）式中为入射光穿过物质的厚度；为旋光溶液的浓度；为旋光率，旋光率在数值上等于光通过浓度为时、厚度为的溶液层后，振动面旋转的角度（单位为度），旋光率与旋光物质的性质有关、与入射光波长有关。实验进一步表明，物质的旋光率与入射光波长的关系大约为，这种因入射光不同而使进入同一物质的偏振光的振动面旋转的角度不同的现象，称为旋光色散。由式(5.5-1)可知，若已知溶液的旋光率和厚度，只要测出振动面的旋转的角度，便可求得这种物质的浓度。三、仪器用具光学度盘旋光仪，试管，葡萄糖溶液等。四、实验内容1．调整仪器、校准仪器零点（1）熟悉仪器的整体结构、光路及双游标的读法。（2）将仪器电源插入220V交流电源，打开仪器开关，等钠光灯发光稳定后工作。（3）调节旋光仪目镜的视度调节螺母，能看清视场中三部分的分界线；调节游标窗口的视度调节螺母，看清刻度盘。（4）转动检偏镜，观察并熟悉视场明暗变化规律，校准仪器零点。转动检偏镜，使目镜视场中三部分界限消失，亮度相等，较暗，如图5.4-5(b)状态，即仪器零点。记下左右刻度盘上的相应读数，重复测量5次，列表记录测量数据，计算的平均值。2、测量葡萄糖溶液的浓度（1）将未知浓度的糖溶液放入旋光仪的试管腔（请思考，管端凸环应放于哪端？），再一次调节检偏镜的位置，使目镜视场中出现如图5.4-5(b)状态，记录检偏镜的位置，计算此糖溶液的旋光度，。重复测量5次，列表记录测量数据。（2）计算糖溶液的浓度。已知入射光为钠黄光时葡萄糖溶液的旋光率，试管长度实验室给定。3．根据半萌法原理，测量透过起偏镜和石英片的两束偏振光振动面的夹角，重复测量5次，计算的平均值。五、思考题1．为什么选择（b）状态为仪器零点?2．根据实验现象，判断你所测的溶液是左旋溶液还是右旋溶液?六、注意事项1．不能用手摸擦试管进出光的玻璃片，以防沾污，影响透光性;更不能拧松试管两端的螺扣，以防糖液外溢。2．试管为玻璃质，严防落地打碎。第八章液体表面张力系数测定仪（FB326）(一)简介型液体的表面张力系数测定仪主要组成有：底座；立柱；传感器固定支架；压阻力敏传感器；数字式毫伏表；有机玻璃液体容器（连通器）；标准砝码（砝码盘）；圆筒形吊环。一、仪器组成及技术指标：1．硅压阻力敏传感器（1）受力量程：（2）灵敏度：约（用砝码质量作单位定标）（3）非线性误差：（4）供电电压：可调直流恒流源2．测量仪器（1）读数显示：三位半数字电压表（2）调零：手动多圈电位器（3）连接方式：芯航空插头3．力敏传感器固定支架、底板及水平调节装置4．吊环：外径,内径,高的铝合金吊环。5．容积有机玻璃连通器一套,活塞面积6．砝码盘及砝码只,精度。7．外型尺寸（1）支架及底盘尺寸：（mm）（2）仪器外形尺寸：（mm）8．用本仪器测量水等液体的表面张力系数的误差≤二、整机使用注意事项：1．吊环须严格处理干净。可用溶液洗净油污或杂质后，用清洁水冲洗干净，并用热吹风烘干。2．吊环水平须调节好，注意偏差，测量结果引入误差为；偏差，则误差3．仪器开机需预热分钟。4．在调节液面升降活塞时，速度要缓慢,尽量减小液体的波动。5．工作环境应避免风吹，以免吊环摆动致使零点波动，造成所测系数不准确。6．若液体为纯净水。在使用过程中防止灰尘和油污及其它杂质污染。特别注意手指不要接触被测液体。7．力敏传感器使用时用力不宜大于。过大的拉力传感器容易损坏。8．实验结束须将吊环用清洁纸擦干，用清洁纸包好，放入干燥缸内。三、使用步骤：1．清洗有机玻璃器皿和吊环。2．在有机玻璃器皿内放入被测液体。3．开机预热分钟。4．将砝码盘的挂钩挂在力敏传感器的小孔中。5．对力敏传感器定标，在加砝码前应首先对仪器调零，安放砝码时应尽量轻。6．换吊环前应先测定吊环的内外直径，然后挂上吊环，在测定液体表面张力系数过程中，可观察到液体产生的浮力与张力的情况与现象，逆时针转动活塞调节旋钮,液体液面上升，当环下沿部分均浸入液体中时，按下峰值测量开关，接着顺时针缓慢转动活塞调节旋钮，这时液面往下降（相对而言即吊环往上提拉），观察环浸入液体中及从液体中拉起时的物理过程和现象。特别应注意吊环即拉断液柱一瞬间数字电压表显示读数值为，记录该数值。接着释放按钮开关，这时，数字电压表读数为（吊环重量），记下这两个数值。7.也可以用长、短门形金属片做实验，为消除边缘效应对实验结果的影响，可采用长金属片的数据减去短金属片的数据，这样一来，剩下的数据就是金属片中段的数据，可能会减少实验误差。实验步骤自拟。实验二十四用拉脱法测定液体表面张力系数液体表层厚度约内的分子所处的条件与液体内部不同，液体内部每一分子被周围其它分子所包围，分子所受的作用力合力为零。由于液体表面上方接触的气体分子，其密度远小于液体分子密度，因此液面每一分子受到向外的引力比向内的引力要小得多，也就是说所受的合力不为零，力的方向是垂直与液面并指向液体内部，该力使液体表面收缩，直至达到动态平衡。因此，在宏观上，液体具有尽量缩小其表面积的趋势，液体表面好象一张拉紧了的橡皮膜。这种沿着液体表面的、收缩表面的力称为表面张力。表面张力能说明液体的许多现象，例如润湿现象、毛细管现象及泡沫的形成等。在工业生产和科学研究中常常要涉及到液体特有的性质和现象。比如化工生产中液体的传输过程、药物制备过程及生物工程研究领域中关于动、植物体内液体的运动与平衡等问题。因此，了解液体表面性质和现象，掌握测定液体表面张力系数的方法是具有重要实际意义的。测定液体表面张力系数的方法通常有：拉脱法、毛细管升高法和液滴测重法等。本实验仅介绍拉脱法。拉脱法是一种直接测定法。一、实验目的1.了解型液体的表面张力系数测定仪的基本结构，掌握用标准砝码对测量仪进行定标的方法，计算该传感器的灵敏度。2．观察拉脱法测液体表面张力的物理过程和物理现象,并用物理学基本概念和定律进行分析和研究,加深对物理规律的认识。3．掌握用拉脱法测定纯水的表面张力系数及用逐差法处理数据。二、实验原理如果将一洁净的圆筒形吊环浸入液体中，然后缓慢地提起吊环，圆筒形吊环将带起一层液膜。使液面收缩的表面张力沿液面的切线方向，角称为湿润角（或接触角）。当继续提起圆筒形吊环时，角逐渐变小而接近为零，这时所拉出的液膜的里、外两个表面的张力均垂直向下，设拉起液膜破裂时的拉力为，则有（1）式中，为粘附在吊环上的液体的质量，为吊环质量，因表面张力的大小与接触面周边界长度成正比，则有（2）比例系数称为表面张力系数，单位是。在数值上等于单位长度上的表面张力。式中为圆筒形吊环内、外圆环的周长之和。（3）由于金属膜很薄，被拉起的液膜也很薄，很小可以忽略，于是公式简化为：（4）表面张力系数与液体的种类、纯度、温度和它上方的气体成分有关。实验表明，液体的温度越高，值越小，所含杂质越多，值也越小。只要上述这些条件保持一定，值就是一个常数。本实验的核心部分是准确测定，即圆筒形吊环所受到向下的表面张力，用型液体的表面张力系数测定仪测定这个力。三、实验仪器型液体的表面张力系数测定仪主要组成有：底座；立柱；传感器固定支架；压阻力敏传感器；数字式毫伏表；有机玻璃液体容器（连通器）；标准砝码（砝码盘）；圆筒形吊环。四、实验内容1．开机预热分钟。2．清洗有机玻璃器皿和吊环。3．在有机玻璃器皿内放入被测液体。4．将砝码盘挂在力敏传感器的钩上。5．若整机已预热分钟以上，可对力敏传感器定标，在加砝码前应首先读取电子秤的初读数（该读数包括砝码盘的重量），（注：对于加有调零装置的仪器，可以