题目19 观测电容特性26光电二极管光电特性实验19 用示波器显示充电、放电曲线并测电容电阻、电容串联电路称为RC串联电路，简称RC电路。
把RC电路通过开关与电动势为E的直流电源接通时，会发现电容上的电压由原来的零值逐渐增加，最后达到E。
可见开关动作后，电路需要一定的时间才能从一种稳定状态过渡到另一种稳定状态，这一变化过程称为暂态过程。
本实验即通过暂态过程的研究来了解RC电路的充放电规律，同时通过充电或放电曲线测量电容的大小。
[实验原理]如图19-1，当开关K合向位置1时，电源通过电阻R向电容C充电，电容两极板上的电荷逐渐增多，电容两端电压uc由零逐渐增大，直到uc=E时，充电完毕，达到稳定状态。
当开关合向位置2时，电容通过R放电，uc由U0=E逐渐减小，直到uc=0时放电结束。
图19-2（a）、（b）即在充放电过程中随时间t的变化曲线。
1．充电过程根据欧姆定律，电路满足关系（忽略电源内阻）iR?uC?E （19-1）dqqdu,uC?,所以i?CC，代入式（19-1）dtCdt即得充电过程中电路所满足的微分方程duC1E?uc? （19-2）dtRCRC由初始条件uC|t=0=0，可得方程（19-2）的解C 图19-1 RC串联电路因为i?（19-3）Ed(E?u)tduCE?uC?d(E?uC)dtd(E?uC)dtdtC????????? ?0RCdtRCE?uCRCE?uCRC? 0E?uC tt?E?uCE?uCtttE RCln(E?uC)0???ln(E?uC)?lnE??;ln????e RC0RCERCE t ? ?uC?E(1?eRC)UE0.632 EU0 0.368U01/2 1/2（a）（b）图19-2 RC电路充放电曲线1下面具体讨论uC的变化特征。
(1) 时间常数τ= RC。
定义τ= RC为RC电路的时间常数。
τ的单位是秒（[τ]=[RC]=Ω·F=Ω?C?V-1=Ω?A?s?V-1=s）当充电时间t = τ时，由（19-3）式可算出uC?E(1?e?1)?0.632Eτ是RC电路最重要的特征常数，用以表征充、放电速度。
τ越小，充放电速度越快；反之越慢。
对式（19-3）取微商，得duCE?? ?e （19-4）dt?t可见，充电速度随着t的增加越来越慢。
从理论上讲，当t??时，充电才会完成。
实际上当t达到（4~5）τ时，即可认为充电完毕。
显然，t=0的那瞬间充电速度最快。
令t=0，由（19-4）可得duCEduC?或t?0t?0???E dt?dtE 上式表明，如果以t=0那一时刻的充电速度匀速地给电容器充电，经过时?间τ，电容上的电压恰好充到E。
由τ的这一特点。
在图19-2（a）中过原点作充电曲线的切线，与代表稳态值uC=E的虚线交于A，则A点对应的时间就是τ。
（2）半衰期T2???ln2?0.693? 电容器充电至uC?11E所需要的时间称为RC电路的半衰期T1/2。
将uC?E22代入式（19-3），不难求得T???ln2?0.693?，或τ=1.44 T1/2。
2 放电过程图19-1中，当开关K合向2，电容即通过电阻放电。
令方程(19-1)中的E=0,就可得到放电时的微分方程duuC??RCC (19-5) dt由初始条件uC|t=0=U0，可得方程的解为uC?U0e?tRC?U0e? （19-6）?t1此式表明，uC随t的增加按指数规律减小。
当t?T2???ln2时，uC?U0，因此2称T1/2为半衰期。
不难计算出，当t???RC时，uC?U0e?1?0.368U0，如图19-2（b）所示。
此外，也可以通过作放电曲线切线的方法求得τ。
3．用示波器观察RC 电路在充放电过程中uC和uR的变化2实验电路如图19-4，19-5所示，用方波信号发生器代替图19-1电路中的直流电源和开关，用以产生阶跃电压。
设方波的周期为T，t=0时，相当于电源接通，电容器充电；t=T/2时，相当于断开电源，电容通过电阻R1和方波发生器的内阻Ri放电。
每一个完整的方波周期，电容器都要进行一次充、放电过程。
如此反复地进行充、放电，就可以很方便地在示波器上观察电容C （或电阻R）上周期性变化的充、放电曲线，如图19-3所示。
E 图16-3 方波信号作用下RC电路的暂态过程曲线（a）双踪示波器（b）单踪示波器图19-4 用示波器观察RC电路的暂态过程连线图（观察C充放电图线）t(uR)t图19-5 用示波器观察RC电路的暂态过程连线图（观察R充放电图线）（1）按图19-4（a）或（b）接线。
先定方波发生器输出频率f=500HZ，调节R1分别为1kΩ、20kΩ、90kΩ、观察示波器显示的波形，并描录下来。
（2）固定R1=10kΩ，逐次调节方波发生器输出频率f（相应地必须调节示波器的Y轴输入灵敏度（5 mv/div~5v/div）或衰减倍率及X轴扫描速率选择旋钮：从0.5μS~0.2S/div或X输出扫描速度，使再现类似上述波形，记录f及相应的波形。
（3）选择适合测量半衰期的波形即充电或放电时间t达到（4~5）τ；或充、放电幅度达到方波幅值的波形。
利用示波器的时基测量半衰期T1/2，由半衰期公 3式T2???ln2?0.693?计算电路的时间常数RC，并根据R求出C。
在条件许可的时候还可以用频率计为标准来校准X时基轴，由此修正半衰期T1/2。
也可以用图19-2（a）、（b）所示的充、放电曲线找出纵轴0.632E 或0.368U0所对应的横轴相应的时间点即τ的坐标，由X时基轴读出相应的时间常数RC从而根据R求出C。
注意：这里的电阻应是全电阻，不仅包括外电阻R还应包括信号源内阻r.（附：X时基校正，是将PB-2频率仪或其它频率仪的输出端接到示波器的Y轴，“t/cm”开关置于待校档。
调节PB-2频率仪输出频率，使在示波器X轴上lcm内有n个完整波形，再由PB-2上读出的频率换算成周期，从而得到X轴每厘米所代表的时间。
（4）测量方波发生器内阻Ri，计算RC=（R1+Ri）C，与上面测得的RC值进行比较，两者是否在测量误差范围内相符合。
（一般信号源内阻的简便测量方法是，用示波器（或晶体管电压表）两输入端与信号源两输出端相接，记下电压读数。
再将一电阻箱并接在信号源两端，调节电阻箱阻值，使示波器（或晶体管电压表）上的读数为原来的一半，则电阻箱上的指示值即为信号源内阻。
由于信号源内阻与其输出电压有关，所以在实验过程中输出电压一经选定就不能任意变动。
4.电容阻抗和频率的关系给RC电路加以正弦波信号时，电路呈现出和直流电路不同的特性。
类似电阻元件，电容也具有阻抗，称为容抗ZC。
电容的容抗ZC与电源频率f及电容值C有关，有ZC?11? （19-7）?C2?fC如果已知电阻R的值，测量uC 和uR,（注意：此处应用电压表交流挡测试）即可得到~~~UCRUCUR~ ZC????IRC ZCRUR其中以UC，UR表示uC,uR的有效值，因此可得~1UR C??2?fZC2?fUCR~URRtg???UCZC R ZC C 由式(19-7)可知，电容的电抗ZC随着电源频率f变化；f越高，ZC越小，因此电容具有通交流，隔直流的作用，利用这一特性可制成RC滤波器，广泛用于整流滤波电路中。
实验26 发光二极管的光电特性[学习重点]1．学习使用发光二极管，了解发光二极管的工作原理；2．测量发光二极管的伏安特性；3．测量发光二极管的正向阈值电压，估算发光波长。
4[实验原理]发光二极管（light emitting diode，简称LED）是一种注入式电致发光器件，由错误！未找到引用源。
-错误！未找到引用源。
族化合物组成，如GaAs，GaP，GaAsP等，其核心是pn结。
它除了具有一般pn结二极管的特性外，在一定条件下还具有发光特性。
给pn结加正向电压时，注入的正向载流子会在pn结附近发生电子和空穴复合，同时以光能和热能的方式释放出能量，与普通白炽灯相比较，LED具有如下特点：功耗低、体积小、寿命长（可达100 000h以上）、驱动电压低、响应速度快。
发光二极管和以其作为发光单元的半导体器件在数码管、符号管、米字管及点阵式显示屏（简称矩阵管）、照明等领域得到了广泛应用。
1．发光二极管的伏安特性曲线发光二极管的伏安特性曲线与普通二极管类似，在正向电压较小时，电流极小，不发光（或发光很微弱）；当电压超过正向导通阈值电压UD后。
正向电流迅速增加，发光二极管发光。
由发光二极管的伏安曲线可以了解发光管的有关参数；(1) 正向阈值电压UD。
制作发光二极管的材料不同，正向阈值电压UD也不同。
(2) 正向工作电压UF。
UF大于正向阈值电压UD，一般在1.4 ~ 4V (通常在IF=20mA时测得)。
随着环境温度升高，UF将下降。
(3) 最大正向直流电流Im。
即发光二极管允许通过的最大正向直流电流，超过此值可能会损坏发光管。
Im一般在5 ~20mA，有的管子可以达到50mA。
(4) 反向击穿电压。
一般在-5V以上。
发光二极管正向特性曲线图2．发光二极管的光谱特性光源发出的光，通常是由多种波长的光组成的，例如：太阳和白炽灯发出的光都包含了红、橙、黄、绿、青、蓝、紫多种颜色。
可见光的波长为380 ~780nm，超出此范围的是不可见光，如紫外光和红外光。
只发出一种光波的光源称作单色光源。
目前制作的发光二极管可发红、橙、黄、绿、蓝、紫等各种可见光，还有的发红外光；也有白色的发光二极管。
发光二极管发光波长由材料的种类、性质和发光中心的结构决定，与器件的几何形状、封装方式无关。
3．根据发光二极管的正向阈值电压估算发光波长发光二极管属于自发辐射发光。
对于辐射跃迁发射的光子，其波长λ与跃迁前后的能量差ΔE有关，满足下式：??hc/?E （26-1）式中h=4.13×10-15eV·s 是普朗克常数，c = 3×1014 ?m/s是光速。
若ΔE以电子伏（eV）为单位，式（26-1）可写做（括号内为分子、分母所取的单位）0?eV)/?E(eV) （26-2）??124(nm如前所述，当外加正向电压超过阈值电压UD时发光二极管才会发光。
因此， 5如果测得阈值电压UD。
用ΔE=eUD代入式（26-2），可以估算发光波长。
有关发光二极管的阈值电压UD的测量，请参看实验1中关于半导体体二极管的伏安特性一节（发光二极管UD的测量与普通二极管类似）。
不同材料制成的发光二极管，其正向阈值电压UD不同，因此发光波长不同。
即使同样是红色发光管，由于制作管子的材料和掺杂组分不同，其发光情况也会有所不同。
随着发光二极管结温的上升，发光波长将向长波方向漂移。
4．发光二极管的检测在正式使用发光二极管之前，应进行必要的检测。