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1、各位老师：现把化学工程实践性环节物理、计算机和化学专业实验的参考发给你们 ，请结合本校实验条件和学生实际，酌情选择处理。4.5 光电效应及普朗克常数的测定【实验简介】光电效应在证实光的量子性方面有着重要地位。1905 年爱因斯坦在光量子假说的基础上圆满地解释了光电效应。十年后密立根以精确的光电效应实验证实了爱因斯坦的光电效应方程，并测定了普朗克常数。今天光电效应已广泛地应用于各科技领域。利用光电效应制成的各种光电器件已成为生产和科研中不可缺少的器件。【实验目的】1. 通过光电效应基本特性曲线的测量，加深对光的量子性的理解。2. 验证爱因斯坦光电效应方程，并测定普朗克常数。【预习思考题】1. 什
2、么是光电效应?它具有什么实验规律?2. 什么是截止电压?如何用实验来测定?3. 如何利用光电效应测定普朗克常数？【实验仪器】汞灯、光电管暗盒（包括光电管、滤色片及小孔光栏） 、THQPC-1 微电流测试仪 【实验原理】1光电效应及其实验规律当光照射到金属表面时，金属中有电子逸出的现象称为光电效应。研究光电效应的实验原理图如图 4.5.1。当单色光入射到光电管阴极 K 时，阴极上会有(光)电子逸出。部分光电子会到达阳极 A，形成光电流。通过改变外电场的大小和方向，以及选择不同频率的单色光入射，得到光电效应的实验规律： 图 4.5.1 图 4.5.21.1 饱和光电流与入射光强成正比。如图 4.5
3、.2；1.2 光电效应存在一个截止频率 ，当入射光的频率 时，不论光的强度如何00都没有光电子产生； 1.3 光电子的初动能与入射光的频率成正比，与入射光强无关， ；1.4 光电效应是瞬时发生的， ，与入射光强无关。st910对于这些实验事实，经典的波动理论无法给出圆满的解释。 2爱因斯坦光量子理论爱因斯坦受普朗克量子假设的启发，提出了光量子理论并成功地解释了光电效应：频率为 的光由能量为 的粒子组成，这些粒子称为光子。光入射到金属表面时，一个光h子的能量通过碰撞立即被一个电子吸收，只要电子获得的能量足以克服金属对它的束缚能（即逸出功） ，即可瞬间产生光电效应。根据能量转化与守恒定律，逸出电子
4、的初动能与入射光频率和金属逸出功的关系为021wmh（4.5.1） 即爱因斯坦光电效应方程。其中 为普朗克常数，公认值为 ， 为入射sJ34106257.光频率， 为电子质量， 为电子逸出金属表面时的最大初速度， 为金属材料的逸出mw功。3普朗克常数的测定使光电流为零而在光电管两端所加的反向电压 被称为截止电压，如图 4.5.2。由爱SU因斯坦光电效应方程（4.5.1）和截止电压与电子最大初动能的关系 可得到21meS截止电压与入射光频率的关系ewhUS0（4.5.2）显然，选择不同频率的光入射，测量相应的截止电压，得到两者的线性关系，由斜率和截距可得到普朗克常数和金属材料的逸出功。4截止电压
5、的确定由于热电子发射、光电管极间漏电、本底电流及阳极产生的反向光电流等因素的影响，使实际测得的光电流曲线下移，故截止电压并非是电流为零时的电压，而是实测曲线两线性段之间的弯曲联接处，即截止电压对应的是曲线上反向电流部分斜率变化很大时的电压，如图4.5.3。图 4.5.3【实验内容与步骤】1开机准备 1.1 连接好光电管暗盒与微电流测定仪之间的接线。开启汞灯、微电流测定仪使它们预热 。min3021.2 调整微电流测定仪。先调整零点：调节量程旋钮指向调零位置，调节调零旋钮，使微电流指示为零。后校正满度：调节量程旋钮指向满度位置，调节满度旋钮，使微电流指示为 。A102测量光电管在不同波长光照射下
6、的 特性UI2.1 调节光电管暗盒与光源距离约 ，转动滤色片圆盘使光通过短波滤色片，cm503其波长由盘上读出。2.2 放大器倍率置于 ，先粗侧一下在该光光照下光电管的 特性，确定出合10 UI理的实验点、电压的测量范围。 （选取实验点时应注意：在光电流发生突变的地方应多测几个数据点） ；测出该波长光照下光电管的 特性曲线。UI2.3 换用不同的滤色片，选择其它波长的光照射，重复步骤 2.2，测出其它波长光照射下光电管的 特性曲线。UI2.4 在坐标纸上绘制不同波长的光照射下光电管的 特性曲线。I3作出 关系曲线，求出普朗克常数并与公认值比较，计算其误差。SU4测量不同光强下 特性I4.1 分
7、别选取直径为 5mm、10mm、20mm 的不同光阑孔，测波长为 光照下的m57特性（重点测不同光强下的饱和电流） 。I4.2 作出不同光强下的 特性曲线。UI【注意事项】1微电流测定仪和汞灯预热时间必须长于 。实验中不能关闭汞灯。如果关闭，min20必须经 后才可重新启动，且须重新预热。min52光电管应避免光线长时间照射，使用完毕，必须遮盖住暗盒窗口。【思考题】1为什么反向电压加到一定数值后，光电流会出现负值？2入射光的强度对光电流的大小有无影响？3试用光量子理论解释光电效应的实验规律。 4.6 液晶电光效应【实验简介】液晶是介于液体与晶体之间的一种物质状态，即具有液体的流动性，又具有晶体
8、各向异性的特性。当光通过液晶时，会产生像晶体那样的偏振面旋转及双折射等效应。液晶分子是含有极性基团的棒状极性分子，在外电场作用下，偶极子会按电场方向取向，使分子原有的排列方式发生变化，从而液晶的光学性质也随之发生改变，这种因外电场引起的液晶光学性质的改变称为液晶电光效应。液晶电光效应的应用很广，利用液晶电光效应可以做成各种液晶显示器件、光导液晶光阀、光调制器、光路转换开关等，尤其是利用液晶电光效应制成的液晶显示器件，由于具有驱动压低(一般为几伏)，功耗小，体积小，寿命长，环保无辐射等优点，在当今各种显示器件的竞争中有独领风骚之势，因此，研究液晶电光效应具有很重要的意义。常用的液晶显示器件类型有
9、：TFT 型（有源矩阵液晶显示） 、STN 型（超扭曲液晶显示） 、TN 型（扭曲向列相液晶显示） ，其中 TN 型液晶显示器件原理比较简单，是 TFT 型、STN 型液晶显示的基础，因此本实验研究 TN 型液晶材料，希望通过一些基本现象的观察和研究，对液晶有一个基本了解。【实验目的】1了解液晶的结构特点和物理性质。2了解液晶电光效应、液晶光开关的工作原理及简单液晶显示器件的显示原理。3通过液晶电光特性和时间响应特性曲线的观测，测量液晶的一些性能参数。【预习思考题】1扭曲向列相液晶具有那些物理特性，如何利用其电光效应制成液晶光开关？如何利用液晶光开关进行数字、图形显示？2如何在示波器上显示驱动
10、信号波形和时间响应曲线，如何测量响应曲线的上升时间和下降时间？【实验仪器】液晶盒及液晶驱动电源、二维可调半导体激光器、偏振片（两个） 、光功率计、光电二极管探头、双踪示波器、白屏、光学实验导轨及元件底座、钢板尺【实验原理】1液晶分类大多数液晶材料都是由有机化合物构成的。这些有机化合物分子多为细长的棒状结构，长度为数 nm，粗细约为 0.1nm 量级，并按一定规律排列。就形成液晶方式而言，液晶可分为热致液晶和溶致液晶。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 。 热致液晶按
11、照液晶分子排列方式不同又可分为近晶相、向列相和胆甾相。近晶相液晶，结构大致如图 4.6.1（a） ，这种液晶的结构特点是：分子分层排列，每一层内的分子长轴相互平行，且垂直与层面。向列相液晶，结构如图4.6.1（b） ，这种液晶的结构特点是：分子的位置比较杂乱，不再分层排列。但各分子的长轴方向仍大致相同，光学性质上有点像单轴晶体。胆甾相液晶，结构大致如图 4.6.1（c） ，分子也是分层排列，每一层内的分子长轴方向基本相同并平行于分层面，但相邻的两层中分子长轴的方向逐渐转过一个角度，总体来看长轴方向呈现一种螺旋结构。其中向列相液晶是液晶显示器件的主要材料。（a ） (b) (c)图 4.6.12
12、TN 型液晶及其电光效应TN 型液晶又称扭曲向列相液晶，是将向列相液晶材料夹在涂覆透明电极的两块玻璃基板之间，四周用密封材料(一般为环氧树脂) 密封。两玻璃基板内侧覆盖着一层定向处理层（配向膜） ，经定向摩擦处理，可使棒状液晶分子平行于玻璃基板表面并沿定向处理的方向排列，两玻璃基板内侧面的定向处理方向互相垂直。由于液晶分子间范德瓦尔斯力的作用，使得盒内液晶分子的取向平行于玻璃板表面并自一侧到另一侧逐渐扭曲，从一侧玻璃板到另一侧玻璃板扭曲了 ，如图 4.6.2（a） ，所以称为扭曲向列相液晶，这种装置称为液09晶盒。（a） (b)图 4.6.2理论和实验证明：扭曲向列相液晶具有类似于晶体的旋光效
13、应，当入射的线偏振光通过扭曲排列的液晶传播到另一侧时，其偏振方向会顺着分子扭曲的方向转过一定的角度。线偏振光通过液晶材料，其偏振方向转过的角度称为液晶的扭曲角，理想情况为 。09对液晶盒施加电压，当达到某一数值时，液晶分子在电场作用下长轴开始沿电场方向倾斜，电压继续增加到某一数值（本实验 12V）时，除附着在液晶盒上下表面的液晶分子外，所有液晶分子长轴都按电场方向进行重排列，如图 4.6.2(b)，旋光效应随之消失，这时，线偏振光垂直入射到液晶盒上，通过液晶盒其偏振方向将不发生变化，这种在电场作用下液晶旋光效应消失的现象，称为扭曲向列相液晶电光效应。3液晶光开关工作原理及显示数字、图形的原理利
14、用液晶的这种电光效应可以制成液晶光开关和各种显示器件。将两个偏振片置于液晶盒的两侧，其中一侧偏振片用作起偏器，其透振方向与液晶盒左侧分子轴向平行，另一侧偏振片用作检偏器，其透振方向与起偏器透振方向平行或垂直，就构成液晶光开关。若检偏器 透振方向与起偏器 透振方向垂直，不加电压时，入射光通过起偏器形成线偏2P1P振光，经过液晶盒后偏振方向随液晶分子轴向旋转 ，偏振方向与检偏器透振方向相同，09有光通过检偏器；施加足够电压后，旋光效应消失，通过液晶合后光偏振方向不变，与检偏器透振方向垂直，光不能通过检偏器。由于上述光开关在没有电场的情况下让光透过，加上电场光被关断，因此叫做常白模式液晶光开关，如图
15、 4.6.3 所示。若检偏器透振方向与起偏器透振方向平行，则没有电场的情况下，光被关断，加上电场的时候，有光通过，称为常黑模式液晶光开关。光断入射光P1 P2入射光 光通P1 P2液晶盒液晶盒图 4.6.3利用液晶光开关对外界光线的开关控制可以实现信息显示。TN 型液晶光开关主要用于数字、简单字符及图案显示，主要有笔段式显示和矩阵式显示方式。笔段式显示比较简单，主要用于数码显示，笔段式 TN 液晶显示屏是通过段形显示像素实现显示的。段形显示像素是指显示像素为一个长棒形，也称笔段形，在数字显示时，常采用七段电极结构，即每位数字由一个“8”字形公共电极和构成“8”字图案的七个段形电极组成，如图 4.6.4(a)所示，分别设置在液晶显示屏的两个玻璃基板内侧，通过控制电路和驱动电路有选择地在各电极段上加上电压，来显示不同的数字，例如，在 a、b、g、e、d 电极段上加上电压可以显示数字“2” 。如图 4.6.4（b）所示。agedcf(a) (b)图 4.6.4矩阵式显示屏的两个玻璃基板内侧分别由行电极和列电极组成，行和列的交叉点组成像素点，通过分别在行电极、列电极上加扫描信号和控制电压信号，逐行扫描让每一个液晶光开关处于关断或选通，
