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。