【正文】 (3)將（3）式代入（2）式中得： （4）由（4）式得： （5）上式中的Rg和Igm由實(shí)驗(yàn)室給出。圖3 熱敏電阻溫度計(jì)的實(shí)驗(yàn)電路圖 熱敏電阻溫度計(jì)的實(shí)驗(yàn)電路熱敏電阻溫度計(jì)的實(shí)驗(yàn)電路如圖3 所示，. 電路參數(shù)的設(shè)計(jì)與計(jì)算圖3 電路中需要設(shè)計(jì)計(jì)算的參數(shù)有四個，下面分別介紹：(1) Ucd 是橋路的工作電壓。內(nèi)容2 熱敏電阻溫度計(jì)的設(shè)計(jì)測量原理圖2 非平衡電橋圖1 負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻的溫度特性熱敏電阻按其溫度特性可分為正溫度系數(shù)型、負(fù)溫度系數(shù)型及開關(guān)型三大類。圖b （1）按圖a實(shí)驗(yàn)裝置接好電路，安裝儀器。 對式（1）取對數(shù)有：或?qū)懽?(線性變化關(guān)系) 式中，改變被測樣品的溫度,分別測出不同的溫度T以及對應(yīng)的值，重復(fù)7—10次，可用圖解法、計(jì)算法或最小二乘法求出A、a、b值。由于半導(dǎo)體中載流子數(shù)目是隨著溫度的升高而按指數(shù)規(guī)律急劇增加，載流子越多，導(dǎo)電能力越強(qiáng)，電阻率就越小，因此半導(dǎo)體熱敏電阻的阻值隨著溫度的升高電阻率將按指數(shù)規(guī)律減少。值得提出的是，電量測量是現(xiàn)代測量技術(shù)中最簡便的測量技術(shù)，不僅測量裝置簡單、造價低、靈敏度高、而且容易實(shí)現(xiàn)自動化控制，是測量技術(shù)的一個重要的發(fā)展趨勢。 實(shí)驗(yàn)二 熱敏電阻溫度特性及熱敏電阻溫度計(jì)的設(shè)計(jì)熱敏電阻是對溫度變化表現(xiàn)出非常敏感的一種半導(dǎo)體電阻元件，它能測量出溫度的微小變化，并且體積小，工作穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡單。為了得出更細(xì)致的測量公式，讓我們再回顧瓶內(nèi)氣體狀態(tài)變化過程：設(shè)充氣前室溫為，充氣后，瓶內(nèi)氣體平衡時室溫為，氣體狀態(tài)為I（,）放氣后，絕熱膨脹，氣體狀態(tài)為II（，），等容吸熱瓶內(nèi)氣體平衡時室溫為，氣體狀態(tài)變?yōu)镮II（，），其中為貯氣瓶容積，為保留在瓶中這部分氣體在狀態(tài)I（，）時的體積。【問題討論】，是指那部分氣體？2. 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容2中的T值一定與初始時室溫相等嗎？為什么？若不相等，對有何影響？，則所得值是偏大還是偏??？為什么？【拓展】在上面的實(shí)驗(yàn)中，環(huán)境溫度 (室溫)假設(shè)為是恒值。，方法是關(guān)閉放氣閥A，打開充氣閥B，用充氣球向瓶內(nèi)打氣，使瓶內(nèi)壓強(qiáng)升高1000Pa～2000Pa左右(對應(yīng)電壓值為20mV～40mV)，關(guān)閉充氣閥B，觀察壓強(qiáng)是否穩(wěn)定，若始終下降則說明系統(tǒng)有漏氣之處，須找出原因。、（以mV為單位）填入如下數(shù)據(jù)表格，依公式（2）計(jì)算氣壓值、依（5）式計(jì)算空氣的絕熱指數(shù)值。注：對應(yīng)的溫度值為T.，使瓶內(nèi)氣體與大氣相通，由于瓶內(nèi)氣壓高于大氣壓，瓶內(nèi)?V體積的氣體將突然噴出,發(fā)出“嗤”的聲音。用氣壓計(jì)測定大氣壓強(qiáng)，用水銀溫度計(jì)測環(huán)境室溫。從狀態(tài)II→狀態(tài)III的過程可以看作是一個等容吸熱的過程。在此過程后瓶中的氣體由狀態(tài)I（,）轉(zhuǎn)變?yōu)闋顟B(tài)II（,）。此時瓶內(nèi)空氣被壓縮，壓強(qiáng)增大，溫度升高。水銀溫度計(jì)【實(shí)驗(yàn)原理】理想氣體的壓強(qiáng)P、體積V和溫度T在準(zhǔn)靜態(tài)絕熱過程中，遵守絕熱過程方程：等于恒量，其中是氣體的定壓比熱容和定容比熱容之比，通常稱=為該氣體的比熱容比（亦稱絕熱指數(shù)）。3．?dāng)U散硅壓力傳感器圖3 AD590電路簡圖擴(kuò)散硅壓力傳感器是把壓強(qiáng)轉(zhuǎn)化為電信號，最終由同軸電纜線輸出信號，與儀器內(nèi)的放大器及三位半數(shù)字電壓表相接。本實(shí)驗(yàn)所用AD590也是如此。如圖圖2所示?！緦?shí)驗(yàn)?zāi)康摹?．用絕熱膨脹法測定空氣的比熱容比。2．觀測熱力學(xué)過程中狀態(tài)變化及基本物理規(guī)律。圖1 FDNCD空氣比熱容比測定儀 7. 貯氣玻璃瓶 圖2 測定儀電源面板示意圖絕熱膨脹 板（對應(yīng)溫度） 板（對應(yīng)壓強(qiáng)）2．AD590集成溫度傳感器AD590是一種新型的半導(dǎo)體溫度傳感器，測溫范圍為50?C～150?C。AD590輸出的電流I可以在遠(yuǎn)距離處通過一個適當(dāng)阻值的電阻R，轉(zhuǎn)化為電壓U，由公式I＝U/R算出輸出的電流，從而算出溫度值。它顯示的是容器內(nèi)的氣體壓強(qiáng)大于容器外環(huán)境大氣壓的壓強(qiáng)差值。如圖4所示，我們以貯氣瓶內(nèi)空氣（近似為理想氣體）作為研究的熱學(xué)系統(tǒng)，試進(jìn)行如下實(shí)驗(yàn)過程。等待內(nèi)部氣體溫度穩(wěn)定，即達(dá)到與周圍溫度平衡，此時的氣體處于狀態(tài)I（,）。為貯氣瓶容積，為保留在瓶中這部分氣體在狀態(tài)I（,）時的體積。由狀態(tài)I→II→III的過程如圖5所示。開啟電源，讓電子儀器部件預(yù)熱20分鐘，然后旋轉(zhuǎn)調(diào)零電位器旋鈕，把用于測量空氣壓強(qiáng)的三位半數(shù)字電壓表指示值調(diào)到“0”，并記錄此時四位半數(shù)字電壓表指示值。當(dāng)瓶內(nèi)空氣壓強(qiáng)降至環(huán)境大氣壓強(qiáng)時（放氣聲剛結(jié)束），立刻關(guān)閉放氣閥A，這時瓶內(nèi)氣體溫度降低，狀態(tài)變?yōu)镮I。－4，重復(fù)3次測量，比較多次測量中氣體的狀態(tài)變化有何異同，并計(jì)算。 。瓶中氣體處于室溫不變情況下而得出測量公式（4）。瓶內(nèi)氣體狀態(tài)變化為：絕熱膨脹等容吸熱 I（,） II（，） III（，）I→II是絕熱過程，由絕熱過程方程得 I、III兩狀態(tài)，由理想氣體狀態(tài)方程得 n為氣體的摩爾數(shù)，R為氣體的普適常數(shù)合并上三式，消去VV2得 （6）由式（6）可知，只要測得、就可求得空氣的。因此，它在測溫技術(shù)、無線電技術(shù)、自動化和遙控等方面都有廣泛的應(yīng)用?！緦?shí)驗(yàn)?zāi)康摹? 1．研究熱敏電阻的溫度特性 2．進(jìn)一步掌握非平衡電橋電路原理及應(yīng)用了解負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻的溫度特性 設(shè)計(jì)和安裝一臺熱敏電阻溫度計(jì)，并對這臺溫度計(jì)的測量誤差進(jìn)行測試和評價【實(shí)驗(yàn)原理】內(nèi)容1 熱敏電阻的溫度特性 測量原理 熱敏電阻的基本特性是它的溫度特性，許多材料的電阻隨溫度的變化而發(fā)生變化，純金屬和許多合金的電阻隨溫度增加而增加，它們具有正的電阻溫度系數(shù)。如溫度由變至?xí)r，由鉑絲材料制成的電阻，其阻值變化10倍左右；而熱敏電阻的阻值在上述溫度變化相同的情況下變化可達(dá)到倍。測量電路 測量電路如圖a所示，利用惠斯通電橋測定被測樣品在不同溫度下的阻值，由電路平衡可知，被測樣品的電阻為： 在用實(shí)驗(yàn)測量熱敏電阻時, 不能單獨(dú)構(gòu)成一橋臂，應(yīng)按照圖b所示的電路。 （2）在容器內(nèi)盛入水，開啟直流電源開關(guān)，—；對水加熱，使水溫逐漸上升，溫度由水銀溫度計(jì)讀出。其中負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻其以錳、鈷、銅和鋁等金屬氧化物為主要原料，采用陶瓷工藝制成。(2) R3值的確定R3 放在下限溫度t1℃的溫度場中，它的阻值為Rt1，放在上限溫度t2℃的溫度場中，它的阻值為Rt2，Rt1和Rt2都可以在熱敏電阻的溫度特性曲線上查到。（4）R4的確定測量前，必須將K2扳至“?！?，目的是校準(zhǔn)工作電壓Ucd，使其剛好等于設(shè)計(jì)值。再將K2扳至“測”，進(jìn)入測量狀態(tài)。 把R1（R2 ），R3 和R4 調(diào)到設(shè)計(jì)值，并且安裝成一臺熱敏電阻溫度計(jì)。應(yīng)保證在熱敏電阻允許溫度范圍內(nèi)多次測量，可采用圖解法、計(jì)算法或最小二乘法求出a、b值。硅光電池是根據(jù)光生伏特效應(yīng)而制成的光電轉(zhuǎn)換元件，它的用途主要有兩個方面：一是作為光輻射探測器件，在氣象、農(nóng)業(yè)、林業(yè)等部門探測太陽光的輻射，或在工程技術(shù)、科學(xué)研究等領(lǐng)域，用于各種光電自動控制和測量裝置。深入學(xué)習(xí)硅光電池的工作原理和具體使用特性可以進(jìn)一步領(lǐng)會半導(dǎo)體PN結(jié)原理﹑光電效應(yīng)理論和光伏電池的機(jī)理。4．利用硅光電池的光電轉(zhuǎn)換特性，完成其以下簡單應(yīng)用①驗(yàn)證馬呂斯定律 ②測定溶液的透射率【實(shí)驗(yàn)儀器】1．THKGD1型硅光電池特性實(shí)驗(yàn)儀。3．硅光電池（2DR65型，面積15mm2，溫度20℃時，開路電壓大于500mV，短路電流為31～55mA，～），直流電位差計(jì)（或數(shù)字電壓表），電流計(jì)，毫安表，電阻箱，滑線電阻，光具座及光源，直流電源，導(dǎo)線等。正負(fù)空間電荷在交界面兩側(cè)形成一個電場，稱為內(nèi)電場，其方向從帶正電的N區(qū)指向帶負(fù)電的P區(qū)，如圖1所示。達(dá)到平衡后，空間電荷區(qū)的寬度基本上穩(wěn)定下來，PN結(jié)就處于相對穩(wěn)定的狀態(tài)。正向偏置時，PN結(jié)呈現(xiàn)的電阻很低，一般為幾歐到幾百歐。但另一方面，內(nèi)電場的增強(qiáng)也加強(qiáng)了少數(shù)載流子的漂移運(yùn)動。環(huán)境溫度愈高，少數(shù)載流子的數(shù)量愈多，所以溫度對反向電流的影響較大。擴(kuò)散的結(jié)果使得結(jié)合區(qū)兩側(cè)的P型區(qū)出現(xiàn)負(fù)電荷，N型區(qū)帶正電荷，形成一個勢壘，由此而產(chǎn)生的內(nèi)電場將阻止擴(kuò)散運(yùn)動的繼續(xù)進(jìn)行，當(dāng)兩者達(dá)到平衡時，在PN結(jié)兩側(cè)形成一個耗盡區(qū)，耗盡區(qū)的特點(diǎn)是無自由載流子，呈現(xiàn)高阻抗。在實(shí)際的半導(dǎo)體材料中能級間隙Eg有一個寬度，因此發(fā)光二極管發(fā)出光的波長不是單一的，其發(fā)光波長寬度一般在25～40nm左右，隨半導(dǎo)體材料的不同而有差別。本實(shí)驗(yàn)用一個驅(qū)動電流可調(diào)的紅色超高亮度發(fā)光二極管作為實(shí)驗(yàn)用光源。3．硅光電池的工作原理光電轉(zhuǎn)換器件主要是利用物質(zhì)的光電效應(yīng)，即當(dāng)物質(zhì)在一定頻率的照射下，釋放出光電子的現(xiàn)象。當(dāng)PN結(jié)及其附近被光照射時，就會產(chǎn)生載流子（即電子空穴對）。在入射光強(qiáng)度的很大動態(tài)范圍內(nèi)這種變化能保持較好的線性關(guān)系。對于外加正向電壓，I隨V指數(shù)增長，稱為正向電流；當(dāng)外加電壓反向時，在反向擊穿電壓之內(nèi)，反向飽和電流基本上是個常數(shù)。從式中可以看到，當(dāng)光電池處于零偏時，V=0，流過PN結(jié)的電流I=Ip；當(dāng)光電池處于負(fù)偏時，流過PN結(jié)的電流。當(dāng)發(fā)送的光信號被正弦信號調(diào)制時，則光電池輸出電壓信號中將包含正弦信號，據(jù)此可通過示波器測定光電池的頻率響應(yīng)特性。6．利用硅光電池的光電轉(zhuǎn)換特性，完成其以下簡單應(yīng)用①驗(yàn)證馬呂斯定律在研究負(fù)載特性的光路中插入兩個偏振器，旋轉(zhuǎn)兩者之間的夾角，測量其短路電流I的變化規(guī)律，驗(yàn)證馬呂斯定律。短路電流的大小與光強(qiáng)成線性關(guān)系，若光電池內(nèi)阻越小，線性關(guān)系就越好。3．硅光電池伏安特性測定在硅光電池輸入光強(qiáng)度不變時（取發(fā)光二極管靜態(tài)驅(qū)動電流為15mA），測量當(dāng)負(fù)載從0～100kΩ的范圍內(nèi)變化時，光電池的輸出電壓隨負(fù)載電阻變化關(guān)系曲線。比較光電池在零偏和負(fù)偏條件下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，分析原因。玻璃纖維問世后，在世界各國出現(xiàn)了一個研究光纖通訊的高潮。1972年，我國開始進(jìn)行光纖通訊研究，而今已廣泛用于郵電、電視等部門。圖1是一個光纖通訊系統(tǒng)示意圖。【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?。它主要包括半?dǎo)體發(fā)光二極管（LED）或者半導(dǎo)體激光器(LD)及其調(diào)制和驅(qū)動電路組成的光信號發(fā)送器。組成該系統(tǒng)時光源LED的發(fā)光中心波長必須在傳輸光纖呈現(xiàn)低損耗的、或附近，本試驗(yàn)采用發(fā)光中心波長為的GaAs半導(dǎo)體發(fā)光二極管作為光源，峰值響應(yīng)波長為的硅光電二極管作為光電檢測元件。光纖直徑一般在幾微米到幾十微米，由稱為“纖芯”和“包層”的同軸圓形雙層結(jié)構(gòu)組成，光線在這種光纖中的傳播情況(按幾何光學(xué)模型)見圖3。實(shí)驗(yàn)中所用光纖長度約為50m，連同LED一道封裝在有機(jī)玻璃盒內(nèi)，實(shí)驗(yàn)中注意保護(hù)。兩側(cè)分別由AlGaAs的N型和P型半導(dǎo)體材料組成，它們的帶隙較寬。 半導(dǎo)體光電二極管(SPD)光電二極管(SPD)和半導(dǎo)體二極管也類似，核心仍是pn結(jié)。無光照時，反向偏置的pn結(jié)只有很小的反向漏電流，稱為暗電流。光電流的方向是從二極管的負(fù)極流向它的正極（p區(qū)到n區(qū)），并且在無偏電壓短路的情況下與入射的光功率成正比。以BG1為主組成的電路是LED的驅(qū)動電路，調(diào)節(jié)這一電路中“偏流調(diào)制”的可使LED的偏置電流在040mA的范圍內(nèi)變化(注意：為了防止LED因使用電流過大而過早的衰老，通常限制電流不超過40mA)。為了減小失真，調(diào)整“偏流調(diào)節(jié)”電位器，使LED的靜態(tài)偏流置于線性段的中點(diǎn)，如20mA。為了減少實(shí)驗(yàn)室各實(shí)驗(yàn)組之間的相互干擾，在不需收聽語音信號時，把電位器旋至最小。③調(diào)整“偏流調(diào)節(jié)”旋鈕，使電流表指示從3mA逐漸增加，每增加3mA讀取一次光功率指示值，直到18mA為止。然后，調(diào)“偏流調(diào)節(jié)”，由DC電流表讀出的LED偏流電流分別為3 mA, 6mA , 9 mA，12 mA, 15mA, 18mA的各種情況下，旋轉(zhuǎn)“幅度調(diào)節(jié)”旋鈕，調(diào)節(jié)信號源輸出幅度，用示波器觀察光信號無截止畸變的最大調(diào)制幅度，將測試值用表格記錄下來。測量保持輸入端信號幅度不變的情況下，信號源頻率在20Hz～1KHz的范圍內(nèi)改變時，輸出端信號的峰—峰值Vpp，并由觀測結(jié)果繪出幅頻特性曲線。調(diào)節(jié)偏流電位器，使“DC電流表”的指示每隔3mA改變一次，觀測面板上“光接收強(qiáng)度顯示”，分別記錄偏流數(shù)據(jù)和光接收強(qiáng)度數(shù)據(jù),在方格紙上繪制靜態(tài)電光/光電傳輸特性曲線。 光纖傳輸系統(tǒng)幅頻特性的測定實(shí)驗(yàn)方法同前面敘述的發(fā)送器調(diào)制放大電路幅頻特性的測定,不同處是將雙蹤示波器的通道1和通道2分別接到發(fā)送電路的“輸入監(jiān)測”和接收電路的“音頻輸出”。2．描繪光纖傳輸系統(tǒng)靜態(tài)電光性曲線，并與LED——傳輸光纖組件電光特性曲線進(jìn)行比較?！緦?shí)驗(yàn)?zāi)康摹?. 觀察光的偏振現(xiàn)象，加深對光偏振基本規(guī)律的認(rèn)識?！緦?shí)驗(yàn)原理】1. 偏振光的基本概念光波是一種電磁波，它的電矢量E和磁矢量H相互垂直，并垂直于光的傳播方向。 這種光稱為自然光。如果光矢量的振動方向始終局限在某一確定的平面內(nèi)的，則稱為平面偏振光，因?yàn)槠潆娛噶磕┒说能壽E為一直線，故又稱為線偏振光。實(shí)際上，起偏器和檢偏器是互為通用的，任何起偏器都可以看成檢偏器，按其在應(yīng)用時所起作用不同而叫法不同。當(dāng)入射角滿足（和為兩種媒質(zhì)的折射率)時，反射光只有垂直于入射面的振動，變成了完全偏振光即平面偏振光，而折射光是最佳狀態(tài)的部分偏振光，如圖1所示。 如果用折射率相同的多層玻璃片堆，經(jīng)多次折射后透射光可以接近平面偏振光，振動面在入射面內(nèi)，即反射光的偏振方向與折射光的偏振方向垂直。其中一束折射光始終在入射面內(nèi)，并遵循折射定律，稱為尋常光（簡稱O光）；另一束折射光一般不在入射面內(nèi)且不遵守折射定律，稱為