液晶光电效应综合实验
作者：吴宝兰2011级海洋科学类010********* 小组成员：宋鹏、王忠成摘要：本文在掌握液晶光开关基本工作原理及观察了液晶光开关时间的响应曲线的基础上，测量了液晶光开关的电光学特性曲线、液晶显示器的视角特性、求出了液晶上升时间和下降时间。同时，揭示了一般液晶显示器件的工作原理，对日后对其做进一步的研究奠定了初步的理论基础。
关键词：液晶光开关时间响应视角特性
1实验目的
1、在掌握液晶光开关的基本工作原理的基础上，测量液晶光开关的电光特性曲线，
并由电光特性曲线得到液晶的阈值电压和关断电压。
2、测量驱动电压周期变化时，液晶光开关的时间响应曲线，并由时间响应曲线得
到液晶的上升时间和下降时间。
3、测量由液晶光电开关矩阵所构成的液晶显示器的视角特性以及在不同视角下的
对比度，了解液晶光电开关的工作条件。
4、了解液晶光电开关构成图像矩阵的方法，学习和掌握这种矩阵所组成的液晶显
示器构成文字和图形的显示模式，从而了解一般液晶显示器的工作原理。
2实验原理
2.1基本知识
2.1.1液晶
液晶态是一种介于液体和晶体之间的中间态，既有液体的流动性、粘度、形变等机械性质，又有晶体的热、光、电、磁等物理性质。液晶与液体、晶体之间的区别是：液体是各向同性的，分子取向无序；液晶分子取向有序，但位置无序，而晶体二者均有序。
2.1.2液晶的光电效应
液晶分子是在形状、介电常数、折射率及电导率上具有各向异性特性的物质，如果对这样的物质施加电场，随着液晶分子取向结构发生变化，它的光学特性也随之变化，这就是通常说的液晶的电光效应。
2.2液晶光开关的工作原理
液晶作为一种显示器件，其种类很多，下面以常用的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，直径为4～6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；使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。
图1 液晶光开关的工作原理
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。在施加足够电压情况下(一般为1～2伏)，在静电场的吸引下，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。
2.3液晶光开关的电光特性和时间响应特性
图2 液晶光开关的电光特性曲线
图2为光线垂直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％时的供电电压；
关断电压：透过率为10％时的供电电压。
另外，在给液晶板加上一个周期性的作用电压（如图3上图），液晶的透过率也就会随电压的改变而变化，就可以得到液晶的相应时间上升时间Δt1和下降时间Δt2。如图3下图所示。
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。
2.4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（入射光线方向与液晶屏法线方向的夹角）的大小。
图中4个同心圆分别表示垂直视角为30，60和90度。90度同心圆外面标注的数字表示水平视角（入射光线在液晶屏上的投影与0度方向之间的夹角）的大小。图3中的闭合曲线为不同对比度时的等对比度曲线。
由图4可以看出，对比度与垂直与水平视角都有关。而且，视角特性具有非对称性。
2.5液晶光开关构成图像显示矩阵的方法
液晶显示器通过对外界光线的开关控制来完成信息显示任务，为非主动发光型显示，其最大的优点在于能耗极低。正因为如此，液晶显示器在便携式装置的显示方面，例如电子表、万用表、手机、传呼机等具有不可代替地位。
下面我们来看看如何利用液晶光开关来实现图
（a ） （b ）
图5 液晶光开关组成的矩阵式图形显示器
A B D E
a
b
c
d
e
f
形和图像显示任务。
矩阵显示方式，是把图5（a）所示的横条形状的透明电极做在一块玻璃片上，叫做行驱动电极，简称行电极，而把竖条形状的电极制在另一块玻璃片上，叫做列驱动电极，简称列电极。把这两块玻璃片面对面组合起来，把液晶灌注在这两片玻璃之间构成液晶盒。为了画面简洁，通常将横条形状和竖条形状的ITO电极抽象为横线和竖线，分别代表扫描电极和信号电极
矩阵型显示器的工作方式为扫描方式。显示原理可依以下的简化说明作一介绍。
欲显示图5（b）的那些有方块的像素，首先在第A行加上高电平，其余行加上低电平，同时在列电极的对应电极c、d 上加上低电平，于是A行的那些带有方块的像素就被显示出来了。然后第B行加上高电平，其余行加上低电平，同时在列电极的对应电极b、e 上加上低电平，因而B行的那些带有方块的像素被显示出来了。然后是第C行、第D行……，余此类推，最后显示出一整场的图像。这种工作方式称为扫描方式。
这种分时间扫描每一行的方式是平板显示器的共同的寻址方式，依这种方式，可以让每一个液晶光开关按照其上的电压的幅值让外界光关断或通过，从而显示出任意文字、图形和图像。
3实验仪器
4设计实验内容与步骤 4.1实验内容：
1、 液晶的电光特性测试实验。可以测得液晶的阈值电压和关断电压。
2、 液晶的时间特性实验，测量液晶的上升时间和下降时间。
3、 液晶的视角特性测量实验。
4.2实验步骤：
1、将液晶板金手指1插入转盘上的插槽，液晶凸起面必须正对光源发射方向。打开电源开关，点亮光源，使光源预热10分钟左右。
2、将模式转换开关置于静态模式，将透过率显示校准为100%，按表一的数据改变电压，使电压从0V 到6V 变化，记录相应电压下的透过率数值。重复3次并计算相应电压下透过率的平均值，依据实验数据绘制水平方向的电光特性曲线，可以得出水平方向的阈值电压和关断电压。
3、将液晶板金手指2插入转盘上的插槽，将透过率显示校准为100%，按表一的数据改变电压，使电压从0V 到6V 变化，记录相应电压下的透过率数值。重复3次并计算相应电压下透过率的平均值，依据实验数据绘制垂直方向的电光特性曲线，可以得出垂直方向的阈值电压和关断电压。
4、将模式转换开关置于静态模式，透过率显示调节到100%，然后将液晶供电电压调节到2V ，在液晶静态闪烁下，用存储示波器观察此光电开关的时间特性曲线。得到上升时间和下降时间。
5、将模式置于静态模式，将透过率显示调到100%，以水平方向插入液晶板，在供电电压为0V 时，调节液晶屏与入射激光的角度，在每一角度下测量光强透过率最大值TMAX 。然后供电电极设为2V ，再次调节液晶屏角度，测量光强透过率最小值TMIN ，记录，并计算其对比度。
6、将液晶板以垂直方向插入插槽，按照与测量水平视角特性相同的方法，测量垂直方向视角特性。
5数据处理与结论
图8：电光特性曲线（水平）
由水平方向电光特性曲线得水平方向阈值电压为1.13V，关断电压为1.72V
图9：电光特性曲线（垂直）
由垂直方向电光特性曲线得垂直方向阈值电压为1.12V ，关断电压为1.73V
使用示波器直接读值的方法，由于两通道的上升时间和下降时间对同一液晶显示器应为一固定值，故只做一次。
图10：CH1、CH2液晶驱动电压和时间响应示意图
表4 水平方向视角特性
表5 垂直方向视角特性
6
1、仪器本身的精密度;
2、外部环境的干扰，比如液晶光开关视角特性的测量试验中，0V电压下，部分透射率大于100%，与实际不符，应为外间光源干扰所致；
3、实验组次少，液晶的时间响应的测量及液晶光开关视角特性的测量试验只取了一组数据，存在一定的误差；
4、计算中的传递误差，由于本次试验组次少，故没有进行不确定度的计算，且小数点只保留了一位；
5、试验准备阶段，对光源预热时间不足；
6、插槽中的液晶板并不严格正对光源发射方向，存在微角度误差，且进行液晶光开关视角特性的测量时，也存在微角度误差；
7、读数误差，试验中，个别数据是在透射率不稳定的情况下读取的；
8、由于不了解干扰特性，故对数据同比例缩小或减小都不准确，所以对于透射率大于100%的数据并未修正。
7 注意事项
1、禁止用光束照射他人眼睛或直视光束本身，以防伤害眼睛；
2、在进行液晶视角特性实验中，更换液晶板方向时，务必断开总电源后，再进行插取，否则将会损坏晶板；
3、液晶板凸起面必须要朝向光源发射方向，否则实验记录的数据为错误数据；
4、在调节透过率100%时，如果透过率显示不稳定，则可能是光源预热时间不够，或光路没有对准，需要仔细检查，调节好光路；
5、在校准透过率100%前，必须将液晶供电电压显示调到0.00V或显示大于“250”，否则无法校准透过率为100%。在实验中，电压为0.00V时，不要长时间按住“透过率校准”按钮，否则透过率显示将进入非工作状态，本组测试的数据为错误数据，需要重新进行本组实验数据记录。
8 心得体会
1、课前预习：我们在实验课之前要进行课前预习，通过阅读实验教材和参考资料，弄清本次实验的目的、原理和所要使用的仪器，明确测量方法，了解实验要求及实验中特别要注意的问题等。虽然这学期上的物理实验为综合实验，内容较多，操作较复杂，但是，只要课前进行预习，认真听老师讲解，操作中认真提问就能顺利的完成各项实验。其中，我对苗老师的讲解印象十分深刻，老师总是能将复杂的问题简单化，让我们很容易就明白实验中难懂的地方，在此，谢谢苗老师！
2、实验操作：首先，我们会进行简单的操作分工，然后，有序高效的进行实验项目，最后，我们将一起总结实验操作中的心得，并且，及时纠正彼此不恰当的操作。
3. 过程思考：我们小组有三位成员，相对其他小组：我们小组除了有人员上的优势，更有思维上的优势。我们总是爱讨论一些别人不在意的细节问题。比如这个实验中，我们在用示波器读取响应时间时，发现：上升时间与下降时间差别还是挺大的，这仅仅是由于实验仪器引起的差异吗？于是，我们展开了激烈的讨论，在课上，也和老师进行了讨论，老师告诉我：是系统误差的原因。但是，我却还是不太相信，因为示波器造成的系统误差不会那么大。于是，我在课下进行了相关资料的查找。几经周折，终于查到了相关资料，得出了正确的结论。我对自己的这个发现感到很自傲。我并没有满足于老师的答案，而是继续寻找原因，在今后的学习还有实验中，我会继续保持这种精神！
Ps：详细介绍见附件（最后一页）
9参考文献
[1]大学物理综合设计实验，中国海洋大学物理实验教学中心
[2]谢疏章.液晶物理学[M] . 北京:科学出版社, 1988.
[3]]王伟,商彦平,郝彦忠.聚噻吩修饰纳米结构TiO 膜电极光电性能研究[J] .河北科技大学学报,2007,28( 1) : 1418.
[4]]范志新.液晶器件工艺基础[M] .第3 版. 北京: 北京邮电大学出版社,2004.
液晶显示器的响应时间小分析
一般来说，液晶显示器的响应时间包括上升时间和下降时间，上升时间是从加电到液晶分子完全扭转至最大角度的时间，即加电到信号显示正常的时间，而下降时间则相反。所以，响应时间其实是整个液晶动作的总体反应时间。
如图所示，定义上升时间τd透过率由90%降到10%所需的时间；下降时间τr为光透过率由10%升到90%所的时间。上述的定义是对常白型液晶而言的，不同的液晶其τd和τr 是不同的，除了与材料有关以外，还与电光效应、粘滞系数η、弹性系数k节及液晶膜的厚度d有关，液晶显示器的响应时间是比较大的。
此外，我还咨询了这方面的研究生学长，学长告诉我：上升时间短于下降时间，具体来说，这算是一个充电放电的过程，中间有一些电容电感元件。理论上两者是一样的，但只是针对单个来说是一样的，组成显示器之后，不管是电视还是电脑，存电会导致实际中下降时间长。
南昌大学物理实验报告 学生姓名：黄晨学号：5502211059 专业班级：应用物理学111班班级编号：S008实验时间：13时00 分第3周星期三座位号：07 教师编号：T003成绩： 光电效应 一、实验目的 1、研究光电管的伏安特性及光电特性；验证光电效应第一定律； 2、了解光电效应的规律，加深对光的量子性的理解； 3、验证爱因斯坦方程，并测定普朗克常量。 二、实验仪器 普朗克常量测定仪 三、实验原理 当一定频率的光照射到某些金属表面上时，有电子从金属表面逸出，这种现象称为光电效应，从金属表面逸出的电子叫光电子。实验示意图如下 图中A,K组成抽成真空的光电管，A为阳极，K为阴极。当一定频率v的光射到金属材料做成的阴极K上，就有光电子逸出金属。若在A、K两端加上电压后光电子将由K定向的运动到A，在回路中形成电流I。 当金属中的电子吸收一个频率为v的光子时，便会获得这个光子的全部能量，如果这些能量大于电子摆脱金属表面的溢出功W，电子就会从金属中溢出。按照能量守恒原理有
南昌大学物理实验报告 学生姓名：黄晨学号：5502211059 专业班级：应用物理111 班级编号：S008实验时间：13 时00分第03周星期三座位号：07 教师编号：T003成绩：此式称为爱因斯坦方程，式中h为普朗克常数，v为入射光频。v存在截止频率，是的 吸收的光子的能量恰好用于抵消电子逸出功而没有多余的动能，只有当入射光的频率大于截止频率时，才能产生光电流。不同金属有不同逸出功，就有不同的截止频率。 1、光电效应的基本实验规律 （1）伏安特性曲线 当光强一定时，光电流随着极间电压的增大而增大，并趋于一个饱和值。 （2）遏制电压及普朗克常数的测量 当极间电压为零时，光电流并不等于零，这是因为电子从阴极溢出时还具有初动能，只有加上适当的反电压时，光电流才等于零。
用光电效应测普朗克常数 【实验简介】 光电效应是物理学中一个重要而神奇的现象。在高于某特定频率的电磁波照射下，某些物质内部的电子会被光子激发出来而形成电流，即光生电。光电现象由德国物理学家赫兹于1887年发现，而正确的解释为爱因斯坦所提出。科学家们在研究光电效应的过程中，物理学者对光子的量子性质有了更加深入的了解，这对波粒二象性概念的提出有重大影响。 普朗克常数记为h，是一个物理常数，用以描述量子大小，约为62619 .6。在量子力学中占有重要的角色，马克斯?普朗克在1900年研10 ?-34 s J? 究物体热辐射的规律时发现，只有假定电磁波的发射和吸收不是连续的，而是一份一份地进行的，计算的结果才能和试验结果是相符。这样的一份能量叫做能量子，每一份能量子等于，为辐射电磁波的频率。普朗克常数是自然科学中一个很重要的常量，它可以用光电效应简单而又准确地测量。 【实验目的】 1、通过实验深刻理解爱因斯坦的光电效应理论，了解光电效应的基本规律； 2、掌握用光电管进行光电效应研究的方法； 3、学习对光电管伏安特性曲线的处理方法，并用以测定普朗克常数。 【实验仪器】 GD-4型智能光电效应(普朗克常数)实验仪(由光电检测装置和实验仪主机两部分组成)光电检测装置包括：光电管暗箱GDX-1，高压汞灯箱GDX-2；高压汞灯电源GDX-3和实验基准平台GDX-4。实验主机为：GD-4型光电效应(普朗克常数)实验仪，该仪器包含有微电流放大器和扫描电压源发生器两部分组成的整体仪器。
【实验原理】 1、普朗克常数的测定 根据爱因斯坦的光电效应方程： P s E hv W =- （1） (其中：P E 是电子的动能，hv 是光子的能量，v 是光的频率，s W 是逸出功, h 是普朗克常量。)s W 是材料本身的属性，所以对于同一种材料s W 是一样的。当光子的能量s hv W <时不能产生光电子，即存在一个产生光电效应的截止频率0v （0/s v W h =）。实验中：将A 和K 间加上反向电压KA U (A 接负极),它对光电子运动起减速作用.随着反向电压KA U 的增加,到达阳极的光电子的数目相应减少,光电流减小。当KA s U U =时，光电流降为零，此时光电子的初动能全部用于克服反向电场的作用。即： s P eU E = （2） 这时的反向电压叫截止电压。入射光频率不同时，截止电压也不同。将（2）式代入（1）式，得： 0s h U v v e =-（） （3） （其中0/s v W h =）式中h e 、都是常量，对同一光电管0v 也是常量，实验中测量不同频率下的s U ，做出s U v -曲线。在（3）式得到满足的条件下，这是一条直线。若电子电荷e 已知，由斜率h k e = 可以求出普朗克常数h 。由直线上的截距可以求出溢出功s W ，由直线在v 轴上的截距可以求出截止频率0v 。如图（2）所示。 2、测量光电管的伏安特性曲线 在照射光的强度一定的情况下，光电管中的电流I 与光电管两端的电压AK U 之间存在着一定的关系。 理想曲线与实验曲线有所不同，原因有： ①光电管的阴极采用逸出电势低的材料制 成，这种材料即使在高真空中也有易氧化的趋向，使阴极表面各处的逸出电势不尽相等，同时，逸出具有最大动能的光电子数目大为减少。随着反向电压的增高， 光电流不是陡然截止，而是较快降低后平缓的趋近零点。
《光的粒子性第一课时：光电效应》教学设计 一、教材分析 1、组成成分及地位和作用 《光的粒子性》是高中新教材人教版选修3-5第十七章《波粒二象性》的第二节内容，内容旨在第一节《能量量子化》内容的基础上，通过光电效应和康普顿效应分别说明光子既具有能量又具有动量，进而说明光具有粒子性。本节课选择讲授第一部分，即光电效应的部分。由光电效应的提出、光电效应的实验规律、爱因斯坦的光电效应方程三部分组成。本节课的内容在物理学的发展史上具有里程碑式的意义，从这里人们开始认识到光的粒子性，并且更多的科学家接受了量子的观点，为近代物理学的发展打下了坚实的基础。 二、学情分析 1、已有的认知水平 学生经过了选修3-4教材有关机械波和光学的学习，已经知道光具有干涉、衍射现象，光的电磁波本质，对光的波动性有了较为深入的了解，也可以说对于经典理论中的光的性质有了较深的印象。同时在本章第一节，学生初步有了能量子的概念。基于以上分析，根据学生已经具备的知识以及现阶段学生的能力，学生完全可以在教师的引导下完成本节课的学习。 2、学习中的困难 本节课的难点就在于摆脱经典理论对思维的束缚，打破由光的干涉、衍射建立起来的“光是一种波，只具有波动性”的固有印象，接受光量子说，并将光量子的观点应用到解释光电效应和康普顿效应中。 三、教学目标分析 根据学生的认知水平和教科书的内容，确立本节课的教学目标为： （1）了解光电效应及其实验规律，感受以实验为基础的科学研究方法 （2）了解爱因斯坦光电效应方程及其意义，感受科学家在面对科学疑难时的创新精神 四、教学重点、难点分析
（2）爱因斯坦光电效应方程 ?教学难点：（1）经典理论在解释光电效应问题时的困难 （2）爱因斯坦光电效应方程如何完整的解释光电效应现像 五、学法与教法分析 ?学法分析 根据学生的实际情况，我将“如何应用知识分析实际问题并进行逐步研究”作为本节课学法指导的重点。在教学中，充分发挥学生的主观能动性，通过分析光电效应的研究过程中遇到的每个问题，感受科学研究的过程，锻炼理论分析能力、知识应用能力。 ?教法分析 （1）启发式教学方法。通过对于物理学史的分析，启发学生思考光电效应从发现现象到探索规律整个过程中的重要问题、观察实验现象，让学生感受科学研究的过程。 （2）实验与理论相结合。实验与理论结合教学让学生认识到实验在物理学发展过程中的作用（3）培养学生的科学情怀。简介光电效应研究过程做出贡献的科学家，使学生体会科学家们探索科学问题的伟大历程 六、教学资源设计 电脑、多媒体辅助教学、毛皮与橡胶棒、锌版、验电器、光电效应演示器、强光手电、滤光片 七、教学过程设计
课程： 专业班号：姓名：学号： 同组者： 液晶电光效应实验 一、实验目的 1、了解液晶的特性和基本工作原理； 2、掌握一些特性的常用测试方法； 3、了解液晶的应用和局限。 二、实验原理： 液晶是介于液体与晶体之间的一种物质状态。一般的液体内部分子排列是无序的，而液晶既具有液体的流动性，其分子又按一定规律有序排列，使它呈现晶体的各向异性。当光通过液晶时，会产生偏振面旋转，双折射等效应。液晶分子的形状如同火柴一样，为棍状。棍的长度在十几埃，直径为4～6埃，液晶层厚度一般为5-8微米。 列方式和天然胆甾(音同淄)相液晶的主要区别是：扭曲向列的扭曲角是人为可控的，且“螺距”与两个基片的间距和扭曲角有关。而天然胆甾相液晶的螺距一般不足1um，不能人为控制。 扭曲向列排列的液晶对入射光会有一个重要的作用，他会使入射的线偏振光的偏振方向顺着分子的扭曲方向旋转，类似于物质的旋光效应。在一般条件下旋转的角度(扭曲角)等于两基片之间的取向夹角。 由于液晶分子的结构特性,其极化率和电导率等都具有各向异性的特点，当大量液晶分子有规律的排列时,其总体的电学和光学特性,如介电常数、折射率也将呈现出各向异性的特点。如果我们对液晶物质施加电场，就可能改变分子排列的规律。从而使液晶材料的光学特性发生改变，1963年有人发现了这种现象。这就是液晶的的电光效应。 为了对液晶施加电场，我们在两个玻璃基片的内侧镀了一层透明电极。我们将这个由基片电极、取向膜、液晶和密封结构组成的结构叫做液晶盒。当我们在液晶盒的两个电极之间加上一个适当的电压时我们来看一下液晶分子会发生什么变化。根据液晶分子的结构特点。我们假定液晶分子没有固定的电极。但可被外电场极化形成一种感生电极矩。这个感生电极矩也会有一个自己的方向，当这个方向以外电场的方向不同时，外电场就会使液晶分子发生转动，直到各种互相作用力达到平衡。液晶分子在外电场作用下的变化，也将引起液晶合中液晶分子的总体排列规律发生变化。当外电场足够强时，两电极之间的液晶分子将会变成如图2中的排列形式。本实验希望通过一些基本的观察和研究，对液晶材料的光学性质及物理结构有一个基本了解。并利用现有的物理知识进入初步的分析和解释。
光电效应实验 一定频率的光照射在金属表面时, 会有电子从金属表面逸出,这种现象称为光电效应。1887年赫兹发现了光电效应现象，以后又经过许多人的研究，总结出一系列实验规律。1905年，爱因斯坦在普朗克能量子假设的基础上，提出了光量子理论，成功地解释了光电效应的全部规律。 实验原理 光电效应的实验原理如图1所示。用强度为P 的单色光照射到光电管阴极K 时，阴极释放出的光电子在电场的加速作用下向阳极板A 迁移，在回路中形成光电流。 图1 实验原理图 图2 光电管同一频率不同光强的 伏安特性曲线 用实验得到的光电效应的基本规律如下： 1、 光强P 一定时，改变光电管两端的电压AK U ，测量出光电流I 的大小，即可得 出光电管的伏安特性曲线。随AK U 的增大，I 迅速增加，然后趋于饱和，饱和 光电流m I 的大小与入射光的强度P 成正比。 2、 当光电管两端加反向电压时，光电流将逐步减小。当光电流减小到零时，所对 应的反向电压值，被称为截止电压U 0（图2）。这表明此时具有最大动能的光 电子刚好被反向电场所阻挡，于是有 0202 1eU mV =（式中m 、V 0、e 分别为电子的质量、速度和电荷量）。（1） 不同频率的光，其截止电压的值不同（图3）。 3、 改变入射光频率ν时，截止电压U 0随之改变，0U 与ν成线性关系（图4）。实 验表明，当入射光频率低于0ν(0ν随不同金属而异，称为截止频率)时，不论光 的强度如何，照射时间多长，都没有光电流产生。
图3光电管不同频率的伏安特性曲线 图4截止电压U 0与频率ν的关系 4、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0ν，在开始照射后立即有光电子产生，延迟时间最多不超过910-秒。 经典电磁理论认为，电子从波阵面上获得能量，能量的大小应与光的强度有关。因此对于任何频率，只要有足够的光强度和足够的照射时间，就会发生光电效应，而上述实验事实与此直接矛盾。显然经典电磁理论无法解释在光电效应中所显示出的光的量子性质。 按照爱因斯坦的光量子理论，光能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ν的光子具有能量ν=h E ，h 为普朗克常数。当光束照射金属时，是以光粒子的形式打在它的表面上。金属中的电子要么不吸收能量，要么就吸收一个光子的全部能量νh ，而无需积累能量的时间。只有当这能量大于电子摆脱金属表面约束所需的逸出功A 时，电子才会以一定的初动能逸出金属表面。按照能量守恒原理，爱因斯坦提出了著名的光电效应方程： A mV hv +=2021 （2） 式中，A 为金属的逸出功，202 1mV 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。光子的能量A h 0<ν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h A 0=ν。 将（2）式代入（1）式中可得： A h eU 0-ν= （3） )(00v v e h U -= 此式表明截止电压0U 是频率ν的线性函数。只要用实验方法得出不同的频率的截止电压，由直线斜率和截距，就可分别算出普朗克常数h 和截止频率0ν。基于此，在爱因斯坦光量子理论提出约十年后，密立根用实验证实了爱因斯坦的光电效应方程，并精确地测定了普朗克常数。两位物理大师在光电效应等方面的杰出贡献，分别于1921
光电效应和普朗克常量的测定 创建人：系统管理员总分：100 实验目的 了解光电效应的基本规律，学会用光电效应法测普朗克常量；测定并画出光电管的光电特性曲线。 实验仪器 水银灯、滤光片、遮光片、光电管、光电效应参数测试仪。 实验原理 光电效应： 当光照射在物体上时，光子的能量一部分以热的形式被物体吸收，另一部分则转换为物体中一些电子的能量，是部分电子逃逸出物体表面。这种现象称为光电效应。爱因斯坦曾凭借其对光电效应的研究获得诺贝尔奖。在光电效应现象中，光展示其粒子性。 光电效应装置： S为真空光电管。内有电极板，A、K极板分别为阳极和阴极。G为检流计（或灵敏电流表）。无光照时，光电管内部断路，G中没有电流通过。U为电压表，测量光电管端电压。 由于光电管相当于阻值很大的“电阻”，与其相比之下检流计的内阻基本忽略。故检流计采用“内接法”。 用一波长较短（光子能量较大）的单色光束照射阴极板，会逸出光电子。在电源产生的加速电场作用下向A级定向移动，形成光电流。显然，如按照图中连接方式，U越大时，光电流
I 势必越大。于是，我们可以作出光电管的伏安特性曲线，U=I 曲线关系大致如下图： 随着U 的增大，I 逐渐增加到饱和电流值IH 。 另一方面，随着U 的反向增大，当增大到一个遏制电位差Ua 时，I 恰好为零。此时电子的动能在到达A 板时恰好耗尽。 光电子在从阴极逸出时具有初动能2 2 1mv ，当U=Ua 时，此初动能恰好等于其克服电场力所做的功。即： ||2 12 a U e mv = 根据爱因斯坦的假设，每粒光子有能量hv =ε。式中h 为普朗克常量，v 为入射光波频率。 物体表面的电子吸收了这个能量后，一部分消耗在克服物体固有的逸出功A 上，另一部分则转化为电子的动能，让其能够离开物体表面，成为光电子。 于是我们得到爱因斯坦的光电效应方程：A m hv += 2 v 2 1 由此可知，光电子的初动能与入射光频率成线性关系，而与光强度无关。（光强度只对单位时间内逸出物体表面的光电子的个数产生影响） 光电效应的光电阈值： 红限：当入射光频率v 低于某一值0v 时，无论用多强的光照都不会发生光电效应。由光电效应方程易得这个频率h A v /0=，称为红限。 测量普朗克常量的方法： 用光波频率为的单色光照射阴极板，测量其遏制电位差Ua 。 于是有： A U e hv a +=|| 所以： e A v -= e h |U |a 这表明了截止电压|U |a 和光波频率v 成正比。 实验中获得单色光的方法： 使用水银灯发出稳定白光作为光源，再使用不同颜色的滤光片罩在光电管的入光口以得到相应颜色的单色光，还可以使用不同透光度的遮光片罩在水银灯的出光口以得到不同强度的
第二节光的粒子性 一、教学目标 1．应该掌握的知识方面． (1)光电效应现象具有哪些规律． (2)人们研究光电效应现象的目的性． (3)爱因斯坦的光子说对光电效应现象的解释． 2．培养学生分析实验现象，推理和判断的能力方面． (1)观察用紫外线灯照射锌板的实验，分析现象产生的原因． (2)观察光电效应演示仪的实验过程，掌握分析现象所得到的结论． 3．结合物理学发展史使学生了解到科学理论的建立过程，渗透科学研究方法的教育． 二、重点、难点分析 1．光电效应现象的基本规律、光子说的基本思想和做好光电效应的演示实验是本节课的重点． 2．难点是(1)对光的强度的理解，(2)发生光电效应时光电流的强度为什么跟光电子的最大初动能无关，只与入射光的强度成正比． 三、教具 锌板、验电器、紫外线灯、白炽灯、丝绸、玻璃棒、光电效应演示仪． 四、主要教学过程 (一)新课的引入 光的波动理论学说虽然取得了很大的成功，但并未达到十分完美的程度．光的有些现象波动说遇到了很大的困难，请观察光电效应现象． (二)教学过程的设计 1．演示实验． 将锌板与验电器用导线连接，用细砂纸打磨锌板表面．把丝绸摩擦过的玻璃棒放在锌板附近，用紫外线灯照射锌板． 边演示边提问：紫外线灯打开前后，验电器指针有什么变化？这一现象说明了什么问题？引导学生分析并得出结论：光线照射金属表面，金属失去了电子导致验电器指针张开一角度．明确指出光电效应是光照射金属表面，使物体发射电子的现象．照射的光可以是可见光，也可以是不可见光．发射出的电子叫光电子． 说明：这个实验如果按照课本上的装置进行效果很不理想，因为紫外线照射锌板飞出电子时锌板带正电，在锌板附近形成电场又将电子吸附回去．锌板电势升到很小的值就使逸出和返回的电子达到动态平衡，很难使验电器指针明显地张开． 2．进一步研究光电效应． 以上实验改用很强的白炽灯照射，却不能发生光电效应．向学生提出问题：光电效应的发生一定是有条件的，存在着一定规律．有什么规律呢？让我们进一步研究． 向学生介绍光电效应演示仪．在黑板上画一示意图，如图所示．S为抽成真空的光电管，C 是石英窗口，光线可通过它照射到金属板K上，金属板A和K组成一对电极与外部电路相连接．光源为白炽灯，在光源和石英窗口C之间插入不同颜色的滤光片可以改变入射光的频率，光源的亮度可以通过另一套装置调节．
光电效应波粒二象性 知识梳理 知识点一、光电效应 1．定义 照射到金属表面的光，能使金属中的电子从表面逸出的现象。 2．光电子 光电效应中发射出来的电子。 3．研究光电效应的电路图(如图1)： 图1 其中A是阳极。K是阴极。 4．光电效应规律 (1)每种金属都有一个极限频率，入射光的频率必须大于这个极限频率才能产生光电效应。低于这个频率的光不能产生光电效应。 (2)光电子的最大初动能与入射光的强度无关，只随入射光频率的增大而增大。 (3)光电效应的发生几乎是瞬时的，一般不超过10－9s。 (4)当入射光的频率大于极限频率时，饱和光电流的强度与入射光的强度成正比。 知识点二、爱因斯坦光电效应方程 1．光子说 在空间传播的光是不连续的，而是一份一份的，每一份叫做一个光的能量子，简称光子，光子的能量ε＝hν。其中h＝6.63×10－34J·s。(称为普朗克常量) 2．逸出功W0 使电子脱离某种金属所做功的最小值。 3．最大初动能 发生光电效应时，金属表面上的电子吸收光子后克服原子核的引力逸出时所具有的动能的最大值。
4．遏止电压与截止频率 (1)遏止电压：使光电流减小到零的反向电压U c 。 (2)截止频率：能使某种金属发生光电效应的最小频率叫做该种金属的截止频率(又叫极限频率)。不同的金属对应着不同的极限频率。 5．爱因斯坦光电效应方程 (1)表达式：E k ＝h ν－W 0。 (2)物理意义：金属表面的电子吸收一个光子获得的能量是h ν，这些能量的一部分用 来克服金属的逸出功W 0，剩下的表现为逸出后光电子的最大初动能E k ＝12m e v 2。 知识点三、光的波粒二象性与物质波 1．光的波粒二象性 (1)光的干涉、衍射、偏振现象证明光具有波动性。 (2)光电效应说明光具有粒子性。 (3)光既具有波动性，又具有粒子性，称为光的波粒二象性。 2．物质波 (1)概率波 光的干涉现象是大量光子的运动遵守波动规律的表现，亮条纹是光子到达概率大的地方，暗条纹是光子到达概率小的地方，因此光波又叫概率波。 (2)物质波 任何一个运动着的物体，小到微观粒子大到宏观物体都有一种波与它对应，其波长λ＝h p ，p 为运动物体的动量，h 为普朗克常量。 考点精练 考点一 光电效应现象和光电效应方程的应用 1．对光电效应的四点提醒 (1)能否发生光电效应，不取决于光的强度而取决于光的频率。 (2)光电效应中的“光”不是特指可见光，也包括不可见光。 (3)逸出功的大小由金属本身决定，与入射光无关。 (4)光电子不是光子，而是电子。 2．两条对应关系 (1)光强大→光子数目多→发射光电子多→光电流大；
液晶电光效应实验报告 【实验目的】 1．在掌握液晶光开关的基本工作原理的基础上，测量液晶光开关的电光特性曲线，并由电光特性曲线得到液晶的阈值电压和关断电压。 2．测量驱动电压周期变化时，液晶光开关的时间响应曲线，并由时间响应曲线得到液晶的上升时间和下降时间。 3．测量由液晶光开关矩阵所构成的液晶显示器的视角特性以及在不同视角下的对比度，了解液晶光开关的工作条件。 4．了解液晶光开关构成图像矩阵的方法，学习和掌握这种矩阵所组成的液晶显示器构成文字和图形的显示模式，从而了解一般液晶显示器件的工作原理。 【实验仪器】 液晶电光效应实验仪一台，液晶片一块 【实验原理】 1．液晶光开关的工作原理 液晶的种类很多，仅以常用的TN型液晶为例，说明其工作原理。 TN型光开关的结构：在两块玻璃板之间夹有正性向列相液晶，液晶分子的形状如同火柴一样，为棍状。棍的长度在十几埃，直径为4～6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，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般为1～2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。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定变化。 2．液晶光开关的电光特性 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。 3．液晶光开关的时间响应特性 加上驱动电压能使液晶的开关状态发生改变，是因为液晶的分子排序发生了改变，这种重新排序需要一定时间，反映在时间响应曲线上，用上升时间τr和下降时间τd描述。给液晶开关加上一个周期性变化的电压，就可以得到液晶的时间响应曲线，上升时间和下降时间。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
第1章仪器介绍 LB-PH3A光电效应（普朗克常数）实验仪由汞灯及电源、光阑与滤色片、光电管、测试仪（含光电管电源和微电流放大器）构成，实验仪结构如图1所示，测试仪的调节面板如图2所示。 汞灯刻度尺光阑与滤色片光电管 图1 实验仪结构图 图2 测试仪前面板图 LB-PH3A光电效应（普朗克常数）实验仪有以下特点： 1．在微电流测量中采用高精度集成电路构成电流放大器。对测量回路而言，放大器近似于理想电流表，对测量回路无影响。精心设计、精心选择元器件、精心制作，使电流放大器达到高灵敏度、高稳定性，使测量准确度大大提高。 2．采用了新型结构的光电管。由于其特殊结构使光不能直接照射到阳极，由阴极反射到阳极的光也很少，加上采用新型的阴、阳极材料及制造工艺，使得阳极反向电流大大降低，暗电流水平也很低。 3．设计制作了一组高性能的滤色片。保证了在测量一组谱线时无其余谱线的干扰，避免了谱线相互干扰带来的测量误差。 4．由于仪器的稳定性好且无谱线间的相互干扰，测出的I - U特性曲线平滑、重复性好。
5．通过改变实验仪的电压档位的方式，利用光电效应测量普朗克常数、光电管伏—安特性以及验证饱和光电流与入射光强成正比等实验。 6．本仪器可用三种不同方法测量普朗克常数（拐点法、零电流法、补偿法），因此有较好的可比性。 7．采用上述测量方法，不但使得U0测量快速、重复性好，而且据此计算出的h误差不大于3 %。 其技术参数如下： 1．微电流放大器： 电流测量范围：10-7 ~ 10-13 A，分6档，三位半数字显示 零漂：开机20分钟后，30分钟内不大于满读数的± 0. 2 %（10-13 A档） 2．光电管工作电源： 电压调节范围：-2 ~ +2 V，-2 ~ +20 V，分两档，三位半数字显示 不稳定度≤0. 1 % 3．光电管： 光谱响应范围：340 ~ 700 nm 最小阴极灵敏度≥1 μA（-2 V≤U AK≤0 V） 阳极：镍圈 暗电流I ≤5 × 10-12 A（-2 V≤U AK≤0 V） 4．滤光片组： 5组，中心波长为：365. 0 nm，404. 7 nm，435. 8 nm，546. 1 nm，578. 0 nm 5．汞灯： 可用谱线：365. 0 nm，404. 7 nm，435. 8 nm，546. 1 nm，578. 0 nm 6．测量误差≤3 % 第2章实验目的与原理 光电效应是，一定频率的光照射在金属表面时，会有电子从金属表面逸出的现象。在光电效应中，光显示出它的粒子性，这种现象对于认识光的本质，具有极其重要的意义。 1887年赫兹发现了光电效应现象，以后又经过许多人的研究，总结出一系列实验规律。由于这些规律用经典的电磁理论无法圆满地进行解释，爱因斯坦于1905年应用并发展了普朗克的量子理论，首次提出了“光量子”的概念，并成功地解释了光电效应的全部规律。十年后，密立根用实验证实了爱因斯坦的光量子理论，精确地测定了普朗克常数。两位物理大师因在光电效应等方面的杰出贡献，分别于1921年和1923年获得诺贝尔物理学奖。光电效应实验和光量子理论在物理学的发展史中具有重大而深远的意义。利用光电效应制成了许多光电器件，在科学和技术上得到了极其广泛的应用。
光电效应测普朗克常量 姓名：梁智健 学院：材料成型及控制工程166班 学号：5901216163 台号：22 时间：2017-10-16 实验教室：309 【实验目的】 1、验证爱因斯坦光电效应方程，并测定普朗克常量h。 2、了解光电效应规律，加深对光的量子性的理解。 3、学会用作图法处理数据。 4、研究光电管的伏安特性及光电特性。 【实验仪器】 1.光电效应测定仪 2.光电管暗箱 3.汞灯灯箱以及汞灯电源箱。 【实验原理】 1、当光照射在物体上时，光的能量只有部分以热的形式被 物体所吸收，而另一部分则转换 为物体中某些电子的能量，使这 些电子逸出物体表面，这种现象 称为光电效应。在光电效应这一 现象中，光显示出它的粒子性， 所以深入观察光电效应现象，对 认识光的本性具有极其重要的意 义。普朗克常数h是1900年普朗克 为了解决黑体辐射能量分布时提 出的“能量子”假设中的一个普
适常数，是基本作用量子，也是粗略地判断一个物理体系是否需要用量子力学来描述的依据。 1905年爱因斯坦为了解释光电效应现象，提出了“光量子”假设，即频率为v 的光子其能量为h v ?。当电子吸收了光子能量h v ?之后，一部分消耗与电子的逸出功W ，另一部分转换为电子的动能212 m v ?，即爱因斯坦光电效应方程 212m hv mv W =+(1) 2、光电效应的实验示意图如图1所示，图中GD 是光电管， K 是光电管阴极，A 为光电管阳 极，G 为微电流计，V 为电压表， E 为电源，R 为滑线变阻器，调 节R 可以得到实验所需要的加 速电位差AK U 。不同的电压AK U ，回路中有不同的电流I 与之对 应，则可以描绘出如图2所示的 AK U -I 伏安特性曲线。 （1）饱和电流的强度与光强成 正比 加速电压AK U 越大，电流I 越大，当AK U 增加到一定值后，电流达到最大值H I ，H I 称为饱和电流，而且H I 的大小只与光强成正比。 （2）遏制电压的大小与照射光的频率成正比 如图3所示，电源E 反向连接，即当加速电压AK U 变为负值时，电流I 会迅速较少，当加速电压AK U 负到一定值Ua 时，电流0I =，这个电压Ua 叫做遏制电压，4所示。 212 a mv e U =?(2)
1，实验目的： 1．了解光电效应的基本规律，并用光电效应方法测量普朗克常量和测定光电管的光电特性曲线。 2．通过对五种不同频率的反向截止电压的测定，由 直线图形，求出“红限”频率。
实验原理图1 光电管的起始I—V特性2
2，实验要求： 1．学习测定普朗克常量的一种实验方法； 2．学习用滤色片获得单色光的方法； 3．学习用实验研究验证理论的方法，加深光电效应对光量子理论的理解 3，实验原理 1.光电效应与爱因斯坦方程 用合适频率的光照射在某些金属表面上时，会有电子从金属表面逸
出，这种现象叫做光电效应，从金属表面逸出的电子叫光电子。为了解释光电效应现象，爱因斯坦提出了“光量子”的概念，认为对于频率为的光波，每个光子的能量为 式中， 为普朗克常数，它的公认值是 =6.626 。 按照爱因斯坦的理论，光电效应的实质是当光子和电子相碰撞时，光子把全部能量传递给电子，电子所获得的能量，一部分用来克服金属表面对它的约束，其余的能量则成为该光电子逸出金属表面后的动能。爱因斯坦提出了著名的光电方程： （1）式中， 为入射光的频率， 为电子的质量， 为光电子逸出金属表面的初速度， 为被光线照射的金属材料的逸出功， 为从金属逸出的光电子的最大初动能。 由（1）式可见，入射到金属表面的光频率越高，逸出的电子动能必然也越大，所以即使阴极不加电压也会有光电子落入阳极而形成光电流，甚至阳极电位比阴极电位低时也会有光电子落到阳极，直至阳极电位低于某一数值时，所有光电子都不能到达阳极，光电流才为零。这个相对于阴极为负值的阳极电位 被称为光电效应的截止电压。 显然，有 （2）
光电效应 一、选择题 1.用如图所示装置做光电效应实验，下述正确的是（） A. 光电效应现象是由爱因斯坦首先发现的 B. 实验现象揭示了光具有波动性 C.实验中，光电子从锌板逸出，验电器带正电 D. 实验中，若用可见光照射锌板，也能发生光电效应【答案】C 【解析】【详解】A、光电效应是由赫兹首先发现的，故A错误．B、光电效应现象揭示 了光具有粒子性，故B错误．C、光电效应现象中，光电子从锌板逸出，验电器带正电，故C正确．D、光电效应中应该用紫外线照射锌板，当用可见光时，频率降低，小于极限频率，则不满足光电效应反生条件．故D错误．故选C．
2.如图所示是某金属在光的照射下，光电子最大初动能E k 与入射光频率v 的关系图象，由图象可知，下列不正确的是 A. 图线的斜率表示普朗克常量h B. 该金属的逸出功等于E C. 该金属的逸出功等于hv 0 D. 入射光的频率为2v 0时，产生的光电子的最大初动能为2E 【答案】D 【解析】 A 、根据光电效应方程0 k h E W -=υ ，知图线的斜率表示普朗克常量h ，故A 正确；B 、根据光电效应方程，当0=υ时，k 0E W =-，由图象知纵轴截距E -， 所以0W E =，即该金属的逸出功E ，故B 正确；C 、图线与υ轴交点的横坐标是0 υ，0k h E W -=υ该金属的逸出功0h υ，故C 正确；D 、当入射光的频率为02υ时，根据光电效应方程可知，E h h ==-?=0 00k 2h E υυυ，故D 错误；本题选错误的故选D ．
3.如图所示，是研究光电效应的电路图，对于某金属用绿光照射时，电流表指针发生偏转．则以下说法正确的是（） A. 将滑动变阻器滑动片向右移动，电流表的示数一定增大 B. 如果改用紫光照射该金属时，电流表无示数 C. 将K极换成逸出功小的金属板，仍用相同的绿光照射时，电流表的示数一定增大 D. 将电源的正负极调换，仍用相同的绿光照射时，将滑动变阻器滑动片向右移动一些，电流表的读数可能不为零 【答案】D 【详解】A．滑动变阻器滑片向右移动，电压虽然增大，但若已达到饱和电流，则电流表的示数可能不变，故A错误； B．如果改用紫光照射该金属时，因频率的增加，导致光电子最大初动能增加，则电流表一定有示数，故B错误； C．将K极换成逸出功小的金属板，仍用相同的绿光照射时，则光电子的最大初动能增加，但单位时间里通过金属表面的光子数没有变化，因而单位时间里从金属表面逸出的光电子数也不变，饱和电流不会变化，则电流表的示数不一定增大，故C错误；
【数据处理】 表1 水平方向电压-透射率数据表 由上表数据画出液晶开关的电光特征曲线如下图:
由上图截取90％和10％分别得到可知液晶的阈值电压为1.00V，关断电压为1.51V 由上表数据画出液晶开关的电光特征曲线如下图:
由上图可知截取90％和10％分别得到阈值电压为0.94V,关断电压为1.44V。 图像分析： 水平方向和垂直方向图像基本走向是相同的，在0.00v~0.90v之间基本保持不变，在0.90v~1.8v之间变化很快，最后达到2.0v后基本不变达到饱和状态，透射率变为0。 但是我们可以从图像中看出，两种方法放置时他们的阀值电压和关断电压都略有区别，我们可以看出水平放置时阀值电压和关断电压都大于垂直放置的，饱和电压也有一定的区别。 2．根据光开关电光响应曲线得出液晶上升时间Δt1和下降时间Δt2。 由数字示波器得出上升时间和下降时间分别为50.0ms和
31ms。 【思考与讨论】 1．试说明液晶光开关的工作原理。 答：如图所示，在未施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期偏振面旋转了90度。这时光偏振面与P2的透光轴平行，因而有光通过。 再施加足够的电压情况下（一般1~2V），在静电场的吸引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，如图右图所示。从P1透射出来的偏振光的偏振方向在液晶传播时不再旋转，保持原来的偏振方向传播下去，到达下一个电极，这时光的偏振方向与P2正交，因而光被关断。 2．如何调节激光接收装置，使得准直激光垂直入射到液晶屏上？答：检查在静态0v供电电压条件下，透过率显示是否为100%。和未放屏幕时
试验名称:光电效应法测普朗克常量h 实验目的:是了解光电效应的基本规律。并用光电效应方法测量普朗克常量和测定光电管的 光电特性曲线。 实验原理 光电效应实验原理如图8.2.1-1所示。其中S 为真空光电管，K 为阴极，A 为阳极。当无光照射阴极时，由于阳极与阴极是断路，所以检流计G 中无电流流过，当用一波长比较短的单色光照射到阴极K 上时，形成光电流，光电流随加速电位差U 变化的伏安特性曲线如图8.2.1-2所示。 1． 光电流与入射光强度的关系 光电流随加速电位差U 的增加而增加，加速电位差增加到一定量值后，光电流达到饱和值和值I H ，饱和电流与光强成正比，而与入射光的频率无关。当U= U A -U K 变成负值时，光电流迅速减小。实验指出，有一个遏止电位差U a 存在，当电位差达到这个值时，光电流为零。 2． 光电子的初动能与入射频率之间的关系 当U=U a 时，光电子不再能达到A 极，光电流为零。所以电子的初动能等于它克服电场力作用的功。即 a eU mv =2 2 1 （1） 根据爱因斯坦关于光的本性的假设，每一光子的能量为hv =ε，其中h 为普朗克常量，ν为光波的频率。所以不同频率的光波对应光子的能量不同。光电子吸收了光子的能量h ν之后，一部分消耗于克服电子的逸出功A ，另一部分转换为电子动能。由能量守恒定律可知 A mv hv += 22 1 （2） 式（2）称为爱因斯坦光电效应方程。
3． 光电效应有光电存在 实验指出，当光的频率0v v <时，不论用多强的光照射到物质都不会产生光电效应，根据式（2）， h A v = 0，ν0称为红限。 爱因斯坦光电效应方程同时提供了测普朗克常量的一种方法：由式（1）和（2）可得： A U e hv +=0，当用不同频率（ν1，ν2，ν3，…，νn ）的单色光分别做光源时，就有 A U e hv +=11 A U e hv +=22 ………… A U e hv n n += 任意联立其中两个方程就可得到 j i j i v v U U e h --= )( （3） 由此若测定了两个不同频率的单色光所对应的遏止电位差即可算出普朗克常量h ，也可由ν-U 直线的斜率求出h 。 因此，用光电效应方法测量普朗克常量的关键在于获得单色光、测得光电管的伏安特性曲线和确定遏止电位差值。 实验内容 通过实验了解光电效应的基本规律，并用光电效应法测量普朗克常量。 1． 在577.0nm 、546.1nm 、435.8nm 、404.7nm 四种单色光下分别测出光电管的伏安特性曲线，并根据此曲线确定遏止电位差值，计算普朗克常量h 。 本实验所用仪器有：光电管、单色仪（或滤波片）、水银灯、检流计（或微电流计）、直流电源、直流电压计等. j i j i v v U U e h --= )(,求斜率,得到普朗克常量h. 入射光波长λ/nm 365nm
实验08X射线光电子能谱演示实验报告（供参考）- 实验9 X射线光电子能谱演示实验报告 班 0911101学生编号1120112254姓名王佳妮分数 1实验目的 通过X射线光电子能谱学(XPS，X射线光电子能谱学)理论、仪器工作原理、测试方法和简单图谱分析学习方法 2，实验内容 1。了解XPS设备的基本组成，XPS样品的制备；2.了解测试参数的设置和样品测试过程； 3。学习图谱分析方法:元素化学状态分析和元素定量分析 3，实验原理 已知光源MgK？激发光能EK=1253.6eV，光电子动能EK可以用XPS仪器测量，仪器的功函数？是一个常数，它是由XPS基本方程EK = h决定的。- EB？可以计算固体中电子的结合能EB元素的化学状态可以由它的结合能决定。 元素A的相对原子浓度CA(%)可由元素灵敏度因子法、元素光谱峰的强度I和相对灵敏度因子S按下式确定
4、实验步骤 请在演示实验中注意观察、归纳和总结 5。实验结果和讨论 请按要求处理测试数据，并以表格形式列出。请参考下表 1 表1 ****样品表面元素XPS测试数据 元素C1s 峰结合能/eV 285.4 光谱峰强度/CPS 6890 原子百分比浓度/% 为什么XPS表面分析需要超高真空？如果 的真空度不高，发射的电子会与空气分子碰撞，电子的能量会减少，作用在待分析样品表面的能量也会减少，从而影响实验结果。2.哪些表面性质可以2。表面分析应用于？ 表面元素的组成、元素的价态及其在表层的分布 3。请理解XPS仪器两个重要性能指标的灵敏度、分辨率和相关性
灵敏度高，但分辨率低，扫描电压较高。相反，扫描电压低，灵敏度低，但分辨率高。 2 表1 3
液晶光电效应综合实验 作者：吴宝兰2011级海洋科学类010********* 小组成员：宋鹏、王忠成摘要：本文在掌握液晶光开关基本工作原理及观察了液晶光开关时间的响应曲线的基础上，测量了液晶光开关的电光学特性曲线、液晶显示器的视角特性、求出了液晶上升时间和下降时间。同时，揭示了一般液晶显示器件的工作原理，对日后对其做进一步的研究奠定了初步的理论基础。 关键词：液晶光开关时间响应视角特性 1实验目的 1、在掌握液晶光开关的基本工作原理的基础上，测量液晶光开关的电光特性曲线， 并由电光特性曲线得到液晶的阈值电压和关断电压。 2、测量驱动电压周期变化时，液晶光开关的时间响应曲线，并由时间响应曲线得 到液晶的上升时间和下降时间。 3、测量由液晶光电开关矩阵所构成的液晶显示器的视角特性以及在不同视角下的 对比度，了解液晶光电开关的工作条件。 4、了解液晶光电开关构成图像矩阵的方法，学习和掌握这种矩阵所组成的液晶显 示器构成文字和图形的显示模式，从而了解一般液晶显示器的工作原理。 2实验原理 2.1基本知识 2.1.1液晶 液晶态是一种介于液体和晶体之间的中间态，既有液体的流动性、粘度、形变等机械性质，又有晶体的热、光、电、磁等物理性质。液晶与液体、晶体之间的区别是：液体是各向同性的，分子取向无序；液晶分子取向有序，但位置无序，而晶体二者均有序。 2.1.2液晶的光电效应 液晶分子是在形状、介电常数、折射率及电导率上具有各向异性特性的物质，如果对这样的物质施加电场，随着液晶分子取向结构发生变化，它的光学特性也随之变化，这就是通常说的液晶的电光效应。 2.2液晶光开关的工作原理 液晶作为一种显示器件，其种类很多，下面以常用的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，直径为4～6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
佛山科学技术学院 实 验 报 告 课程名称 实验项目 专业班级 姓名 学 号 指导教师 成绩 日 期 年 月 日 一、实验目的 1．了解光电效应的规律，加深对光的量子性的理解； 2．测量光电管的伏安特性曲线； 3．学习验证爱因斯坦光电效应方程的实验方法，测量普朗克常数。 二、实验仪器 光电效应（普朗克常数）实验仪（详见本实验附录A ），数据记录仪。 三、实验原理 1．光电效应及其基本实验规律 当一定频率的光照射到某些金属表面时，会有电子从金属表面即刻逸出，这种现象称为光电效应。从金属表面逸出的电子叫光电子，由光子形成的电流叫光电流，使电子逸出某种金属表面所需的功称为该金属的逸出功。 研究光电效应的实验装置示意图如图1所示。GD 为光电管，它是一个抽成真空的玻璃管，管内有两个金属电极，K 为光电管阴极，A 为光电管阳极；G 为微电流计；V 为电压表；R 为滑线变阻器。单色光通过石英窗口照射到阴极上时，有光电子从阴极K 逸出，阴极释放出的光电子在电场的加速作用下向阳极A 迁移形成光电流，由微电流计G 可以检测光电流的大小。调节R 可使A 、K 之间获得连续变化的电压AK U ，改变AK U ，测量出光电流I 的大小，即可测出光电管的伏安特性曲线，如图2(a)、(b)所示。
图2 光电效应的基本实验规律 光电效应的基本实验规律如下： （1）对应于某一频率，光电效应的AK -I U 关系如图2(a)所示。从图中可见，对一定的频率，有一电压0U ，当AK 0U U ≤时，光电流为零，这个相对于阴极的负值的阳极电压0U ，称为截止电压。 （2）当AK 0U U ≥后，I 迅速增加，然后趋于饱和，饱和光电流M I 的大小与入射光的强度P 成正比，如图2(b)所示。 （3）对于不同频率的光，其截止电压的值不同，如图2(a)所示。 （4）截止电压0U 与频率v 的关系如图2(c)所示。0U 与ν成正比。当入射光频率低于某极限值0v （随不同金属而异）时，无论光的强度如何，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0v ，在开始照射后立即有光电子产生，所经过的时间至多为910-秒的数量级。 2．爱因斯坦光电效应方程 上述光电效应的实验规律无法用电磁波的经典理论解释。为了解释光电效应现象，爱因斯坦根据普朗克的量子假设，提出了光子假说。他认为对于频率为ν的光波，每个光子的能量为E h ν=，h 为普朗克常数。当光子照射到金属表面上时，一次性为金属中的电子全部吸收，而无须积累能量的时间。电子把该能量的一部分用来克服金属表面对它的吸引力，另一部分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 201 2 h m W νυ=+ （1） 式中，W 为被光线照射的金属材料的逸出功，2 012m υ为从金属逸出的光电子的最大初动能。 由式（1）可知，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（即加反向电压）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