光敏电阻特性研究实验报告
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课程名称： 大学物理实验（一）
实验名称： 光敏电阻特性研究
一、实验目的
1.
了解光敏电阻的工作原理
2. 研究光敏电阻在固定光照强度下的伏安特性
3. 研究光敏电阻的光照特性曲线
4. 了解光电效应的原理
5. 掌握光路调整方法
二、实验原理
1. 光敏电阻：基于内光电效应的一种光传感器探头，用于光的测量、光的控制和光电转换（将光的变化转换为电的变化）
图1 光敏电阻外观 图2 光敏电阻符号 图3 光敏电阻光照特性
2.光敏电阻的结构和基本特性：光敏电阻器是利用半导体的光电效应制成的一种电阻值随入射光（可见光）的强弱而改变的电阻器；入射光强，电阻减小，入射光弱，电阻增大。在黑暗条件下，它的阻值（暗阻）可达1～10 M欧，在强光条件（100 LX流明）下，它阻值（亮阻）仅有几百至数千欧。
3.光敏电阻的原理： 2 图4 无光照时的光敏电阻原理示意图 图5 有光照时的光敏电阻原理示意图
光敏电阻是一种能够感知光的电子元件，其原理在于光照射到光敏电阻表面时，会激发其中的电子发生跃迁，导致电阻值发生变化。 具体来说，光敏电阻中含有一种半导体材料的物质作为感光元件如硒化铋、硫化镉等，当光线照射到这种材料上时，会让一些电子从价带跃迁到导带，使得电子数量增加，从而导致电阻值降低。导体材料在没有光照射时，其中的电子处于价带中，不能自由移动。因此，当光线强度增加时，电阻值就会相应地减小；反之，当光线强度减小或消失时，电阻值则会增大。
4.光敏电阻的伏安特性：光敏电阻在光强一定的情况下（偏振片角度θ不变）时，电阻是一个定值电阻。根据 R = U/I,可得到光强不变时电阻是一条直线，它的斜率就是电阻的阻值。
图6 光敏电阻伏安特性表
5.光敏电阻光照特性：光敏电阻又称光导管，在特定波长的光照射下，其阻值会迅速减小。原因：光照后产生的载流子都参与导电，从而使光敏电阻的阻值迅速下降（百兆欧到百欧）。
6.光敏电阻其他特性参数：
1) 暗电流、暗电阻：在一定的电压下，没有光照时，流过的电流称为暗电流。外加电压与暗电流之比称为暗电阻。
2) 灵敏度：灵敏度是指暗电阻与受光照射时的亮电阻的相对变化值。
3) 光谱响应：是指光敏电阻在不同波长的光照下的灵敏度。多数在540nm附近出现峰值
4) 温度系数。光电效应受温度影响较大，部分光敏电阻在低温下的光电灵敏较高，而在高温下的灵敏度则较低。
5) 额定功率。（50~100mW)
7.光敏电阻电路设计 3 图7 光敏电阻电路 注意：1）不要超过电表量程。
2）不要超过光敏电阻的额定功率。
8.光路设计：利用光的偏振性控制光照
图8 偏振系统图
偏振系统的作用：通过控制偏振片的夹角，可以控制光强从0到I0连续变化。
马吕斯定律：
图9 马吕斯定律示意图
𝑰=𝑰𝟎𝐜𝐨𝐬𝟐𝜶 …(1)
𝑰𝑰𝟎=𝐜𝐨𝐬𝟐𝜶 …(2)
自然光：在与光传播方向垂直的平面内，光矢量沿各个方向的平均值相等。普通光源发光的是自然光。
偏振光：自然光经过反射、吸收、折射后，可能会只保留某一方向的光振动即完全偏振光或振动在某一方向较强即部分偏振光。
图10 完全偏振光 图11 部分偏振光
偏振系统的作用：首先，通过一个偏振片（起偏器）使光源发出的自然光变为偏振光。然后，使用第二个偏 4 振片（检偏器）使偏振光通过。（两个偏振片的偏振夹角为θ）。通过两个偏振片之后获得的光强满足马吕斯定律：相对光强𝐼=𝐼0cos2𝛼
θ(o) cosθ cos2θ 相对光强 I(mA)
0 1 1 1 ...
10 0.98 0.97 0.97 ...
20 0.94 0.88 0.88 ...
30 0.87 0.75 0.75 ...
40 0.77 0.59 0.59 ...
50 0.64 0.41 0.41 ...
60 0.5 0.25 0.25 ...
70 0.34 0.12 0.12 ...
80 0.17 0.03 0.03 ..
90 0 0 0 ...
图12 U一定时，不同θ对应不同光强对照图
三、实验仪器
1) 光源以及电源
2) 聚光镜（2个）
3) 直流稳压电源
4) 万用表或者电流表
5) 光敏电阻（光电接收器）
6) 导轨和支架
图1 光敏电阻特性研究实验装置图 5 四、实验内容与步骤
（1）理解实验装置图，快速连好电路
（2）开机前将电源的输出电压调小，关机前亦然
（3）电路接通后，调节光路
（4）采集实验数据
（5）实验结束后关闭电源，还原实验台
五、数据处理
1. 偏振片角度𝛉=𝟎°时光敏电阻的伏安特性研究
表1 偏振片角度θ=0°时光敏电阻的伏安特性数据表
电压（V） 0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0
电流（mA） 0 0.32 0.65 0.98 1.31 1.65 1.98
电压（V） 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5
电流（mA） 2.31 2.64 2.98 3.31 3.64 3.98 4.31
据此可作出下图：
6 图1偏振片角度θ=0°时光敏电阻的伏安特性曲线
由图可知：直线斜率即为此时的光敏电阻的阻值。由于电压单位是（V）而电流单位是（mA），根据欧姆定律变形式𝑅=𝑈𝐼，其中U的单位是（V），I的单位是（A），故此时光敏电阻阻值约为1987Ω。
2.偏振片角度𝛉=𝟑𝟎°时光敏电阻的伏安特性研究
表2 偏振片角度θ=30°时光敏电阻伏安特性曲线数据表
电压（V） 0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0
电流（mA） 0 0.25 0.5 0.75 1.00 1.25 1.51
电压（V） 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5
电流（mA） 1.76 2.01 2.26 2.51 2.76 3.02 3.27
据此可作出下图：
图2偏振片角度θ=30°时光敏电阻的伏安特性曲线
由图可知：直线斜率即为此时的光敏电阻的阻值。由于电压单位是（V）而电流单位是（mA），根据欧姆定律变形式𝑅=𝑈𝐼，其中U的单位是（V），I的单位是（A），故此时光敏电阻阻值为1505Ω。
3.光敏电阻的光照特性和电阻特性研究
表3 光敏电阻电流随相对光照强度变化数据表
θ 0º 10º 20º 30º 40º 50º 60º 70º 80º 90º 7 I(mA) 1.33 1.27 1.16 1.02 0.82 0.61 0.39 0.18 0.04 0.02
相对光强
（cos2θ） 1 0.97 0.88 0.75 0.59 0.41 0.25 0.12 0.03 0
据此可作出下图：
图3 光敏电阻光照特性曲线
由图可知：电压一定时，当相对光强增大时，电流也逐渐增大。当相对光照强度达到最大时，电流也取到最大值。当相对光照强度为0时，电流不为0，但接近0，因为光敏电阻的暗阻较大。
除此之外，实验时电压恒定为2V，故可根据欧姆定律变形式𝑅=𝑈𝐼计算不同相对光照强度时的电阻。
以θ=0°为例：由表3知此时电流为1.33mA
故𝑅=𝑈𝐼=21.33≈1.504（kΩ）同理可得其他不同相对光照强度时的光敏电阻阻值，如下表
表4光敏电阻阻值随相对光强变化数据表
θ 0º 10º 20º 30º 40º 50º 60º 70º 80º 90º
I(mA) 1.504 1.575 1.724 1.960 2.439 3.279 5.128 11.111 50 100
相对光强
（cos2θ） 1 0.97 0.88 0.75 0.59 0.41 0.25 0.12 0.03 0
据此可作出下图： 8 图4 光敏电阻电阻特性曲线
由图可知：当相对光照强度由低至高变化时，光敏电阻阻值先急剧下降，后逐渐平稳，最终趋近于一个较小的定值。相对光照强度最小时是光敏电阻的电阻最大，相对光照强度最大时是光敏电阻的电阻最小。
六、结果陈述
1.本实验中当偏振片角度θ=0°时，光敏电阻阻值约为1987Ω。
2.本实验中当偏振片角度θ=30°时，光敏电阻阻值约为1505Ω。
3. 光敏电阻的光照特性是：电压一定时，当相对光强增大时，流过光敏电阻电流也逐渐增大。当相对光强达到最大时，电流也取到最大值。当相对光强为0时，电流不为0，但接近0，因为光敏电阻的暗阻较大。
4. 光敏电阻的电阻特性是：当相对光照强度由低至高变化时，光敏电阻阻值先急剧下降，后逐渐平稳，最终趋近于一个较小的定值。相对光强最小时光敏电阻的电阻最大即暗阻，相对光强最大时光敏电阻的电阻最小即亮阻。
七、思考题
当光照达到一定的强度，光敏电阻的电阻会否再发生变化？
光敏电阻的电阻值与光照强度呈反比例关系，即光照强度越大，电阻值越小。当光照强度达到一定程度时，光敏电阻的电阻值会趋于稳定，并不再发生明显的变化。这是因为光强度增加到一定值后，光敏电阻内部的半导体材料中的电子被激发到了足够多的能级，此时继续增加光强度也不能使这些电子进一步被激发。因此，光敏电阻的电阻值不会再发生明显的变化。
什么是透镜共轭成像？
透镜共轭成像是指通过透镜将物体上的图像成像到透镜另一侧的焦平面上，同时成像位置和大小与物体上的原始图像相同的过程。这样把物体放在A点，成像在B点，如果反过来你把物体放在B点，那么成像在A点。当物体放在A点时，透过透镜的光线会汇聚到透镜另一侧的焦点B处，形成一个倒立的实像。 9 而如果将物体放在B点，根据透镜成像的共轭关系，透过透镜的光线会汇聚在透镜的另一侧的A点处，形成一个倒立的实像。这是因为在透镜两侧的物距和像距的相对位置是互换的，即物距等于像距时，透镜上下游离的物体和成像点满足反向对应的关系，所以称之为透镜共轭成像。
