物理中心实验课程(材料研究所).doc

物理中心实验课程（材料研究所）
1. 矿物粉体颗粒重力沉降法分级（斯托克斯沉降公式）
仪器名称：大量筒、秒表
实验目的：矿物粉体在水介质中的沉降及重力分级技术的了解。
实验步骤：
（1） 在量筒中加水至最大刻度处，固定沉降高度并进行标记；
（2） 加入矿物粉体颗粒，搅拌均匀；
（3） 通过斯托克斯沉降公式计算所需矿物粉体粒度沉降时间后，开始沉降；
（4） 沉降完成后，用橡皮管将设定的矿物悬浮液移出，经抽滤、干燥得到设定粒级的矿物粉体颗粒。
2. 提拉法制备自清洁玻璃及其光学性质
仪器名称：紫外－可见光分光光度计
仪器名称：干燥箱
实验目的：自清洁玻璃的认知及制备工艺、紫外可见光分光光度计的认知及玻璃透光率的测定。
实验步骤：
（1）将一定量的钛酸四丁酯和无水乙醇进行混合，滴加入一定浓度的硝酸溶液中，混合搅拌一定时间得到淡黄色的钛溶胶；
（2）将玻璃基片浸入溶胶中，缓慢提拉负载得到涂膜的玻璃基片；
（3）设定干燥箱干燥温度，将涂膜的玻璃基片放入干燥箱中干燥一定时间得到自清洁玻璃；
（4）分别在玻璃基片及自清洁玻璃基片上滴水滴，观察水滴的变化，了解自清洁玻璃的超亲水特性。
（5）启动紫外-可见光分光光度计，预热20 min；
（6）选择好单色波长，打开比色皿暗盒，按Mode 键使仪器显示为0，关闭暗盒，按100%τ键使仪器显示为100%；
（7）将玻璃或镀膜玻璃放入比色皿暗盒中，将玻璃推入光路，观察玻璃及镀膜玻璃对光的透过率。
3. 纳米TiO2半导体光触媒处理染料废水及其光催化特性
仪器名称：紫外－可见光分光光度计、30W紫外灯管
实验目的：纳米材料的概念、纳米TiO2半导体光催化特性的认知及光催化处理染料废水工艺的了解。
实验步骤：
（1） 配置一定浓度的亚甲基蓝染料废水，采用紫外可见光分光光度计测其吸光度值；
（2） 吸取一定量的染料废水，加入纳米TiO2光触媒，在紫外灯的照射下处理一定时间；
（3） 取上清液测其吸光度值，通过废水前后的吸光度值计算光触媒对染料废水的光催化脱色效果。
4. BaTiO3电子材料的固相合成及晶体结构分析
仪器名称：箱式电炉
实验目的：BaTiO3电子材料的固相法合成及X射线衍射图谱分析。
实验步骤：
（1） 称取等量的BaO和TiO2粉末并混合；
（2） 将混合的粉末放入坩锅或瓷舟中，然后放入箱式电阻炉；
（3） 在一定的温度下焙烧一定时间，得到BaTiO3粉体，待自然冷却后取出坩锅放入干燥器中；
（4） 对照BaTiO3的X射线衍射图谱说明其晶体结构。
5. 稀土Ho3+，Er3+掺杂玻璃吸收光谱的测定
仪器名称：紫外-可见光分光光度计
实验目的：紫外-可见光分光光度计的使用，稀土离子从基态到激发态吸收光谱的指定。
实验步骤：
（1）启动紫外-可见光分光光度计，预热20 min；
（2）选择好单色波长，打开比色皿暗盒，按Mode 键使仪器显示为0，关闭暗盒，按100%τ键使仪器显示为100%；
（3）将玻璃或镀膜玻璃放入比色皿暗盒中，将玻璃推入光路，观察玻璃对光的透过率。
（4）分析吸收光谱，指出光谱图中各个吸收峰分别对应于Ho3+或Er3+的那些带的吸收。
6. 稀土Er3+掺杂不同组成玻璃密度的测定
仪器名称：比重瓶，电子天平
实验目的：比重瓶的使用，不同组成玻璃密度的比较。
实验步骤：
（1）称量玻璃的的质量m1
（2）比重瓶中注满蒸馏水，用滤纸洗干比重瓶外部的水及毛细管流出的水后，称量比重瓶和水的质量m2
（3）从称量瓶中倒出一部分水，将称量过的玻璃放入比重瓶，再加满水，称量质量m3
（4）利用公式计算玻璃的密度
（5）比较不同组成玻璃密度的差异。
7. 单摆的周期与摆角的关系
仪器名称：单摆、秒表
实验目的：
(1)、通过实验不仅培养学生动手实验能力，最重要的是培养学生分析数据的能力，和实验理论相结合的能力；
(2)、测量不同摆角时的周期，观察有什么变化，定性的得出其变化规律；
(3)、运用各种方法，包括高等数学、软件模拟，得出周期的严格公式，并用实验检验公式。
(4)、与理想公式比较，找到区别。
实验步骤：
（1）测不同角度时，单摆的周期，并记录在表；
（2）观察记录的数据，得出定性的变化规律；
（3）不同学生，用不同方法，研究规律，可以选择的有：最小二乘法、Origin软件模拟、高等数学严格求解等；
（4）分析得到的规律与实验是否符合；
8. 一维晶格振动的电学模拟——基于一维离散传输线的实验研究
绝大部分的物理体系都是所谓的二阶线性系统，即运动方程都由二阶线性常微分方程描述．两个典型的二阶线性系统分别是RLC 振荡电路和阻尼弹簧振子（图1）．我们分别考察二者的运动方程：

图1
RLC 振荡电路的运动方程为：
其中L 为电感，R 为电阻，C 为电容。
一维阻尼振子的运动方程为：
其中m为振子的质量，γ为阻尼因子，k为劲度系数．
将两个方程加以对比即可发现，两个系统的参数之间有着一一对应的关系：u←→x，L←→m，R←→γ，1/C←→k．事实上，这里的对应是有相当的物理依据的：电感和质量都反映了某种抵抗外界影响的效应，电阻和阻尼都反映了能量的损耗，而电容倒数和劲度系数都反映了将系统恢复至平衡态的作用．这种类比，就是在声学中得到广泛应用的电-力-声类比。
基于前面的分析，我们很容易就能得出了一维经典晶格的电学类比．容易看出，一维的经典晶格实质上是一系列互相耦合的，全同的力学振子，而将其中的弹簧换为电容，小球换为电感，阻尼器换作电阻，就能得到其电学类比：一维离散传输线．（图2）这种类比其实早在19 世纪就为人们所认识，并得到了广泛的研究．

图2 一维离散传输线
9. 半导体材料的方阻和电阻率的测量
实验目的:
（1）掌握四探针法测量半导体材料方阻的基本原理和方法。
（2）掌握半导体电阻率的测量方法。
（3）掌握半导体阻值与光照及温度的关系。
实验原理：
四探针法是用针距约为1mm的四根金属同时排成一列压在平整的样品表面上，如图1-1所示，其中最外部二根（图1-1中1、4两探针）与恒定电流源连通，由于样品中有恒电流I通过，所以将在探针2、3之间产生压降V。该电流I、压降V与样品方阻R□ 的关系为
R□ （1--1）
（1--1）式中C为修正因子。如果测量中选择的电流大小等于修正因子C，那么方阻R□ 应满足下列关系：

R = V (Ω/□) (1--2)
图1—1测量方阻的四探针法原理

通过以上分析可以知道只要测量电流大小等于修正因子C，材料的方阻就等于2、3二探针之间的电压。
半导体材料的电阻率的测量方法很多，可以直接测量电阻率，也可以先测量电阻，再通过计算得到电阻率，因为电阻R等于：

式中ρ为材料的电阻率，l为材料的长度，s为材料的横截面积。
实验内容：
（1）用四探针法测量不同尺寸硅片的方阻；
（2）比较表面粗糙度对半导体材料的影响。
（3）在有光照和无光照条件下观察硅片方阻值的变化。
（4）测量电阻随温度的变化规律。