Feladat: 2003. évi Nemzetközi Fizika Diákolimpia 4. feladata Korcsoport: 18- Nehézségi fok: nehéz
Füzet: 2003/december, 564 - 566. oldal  PDF  |  MathML 
Témakör(ök): Elektromos mérés, Fénytani (optikai) mérés, Modern fizikai mérés, Nemzetközi Fizika Diákolimpia
Hivatkozás(ok):Feladatok: 2003/december: 2003. évi Nemzetközi Fizika Diákolimpia 4. feladata

A szöveg csak Firefox böngészőben jelenik meg helyesen. Használja a fenti PDF file-ra mutató link-et a letöltésre.

A mérési feladat megoldása2
 

A mérés során elektromos mennyiségeket (a lézerdióda áramát, a fotodetektor feszültségét és a folyadékkristály cellára kapcsolt feszültséget) kellett leolvasni digitális műszerekről. A nehézséget így inkább a mérési elrendezés pontos optikai beállítása és a nagyszámú adat kiértékelése jelentette.
Az optikai elemek gondos elrendezése alapvető volt a mérés sikeres elvégzéséhez. A lézersugarat pontosan a fotodetektor nyílásába kellett irányítani, a polárszűrőket és a folyadékkristály cellákat pedig pontosan a lézersugárra merőlegesen kellett rögzíteni. (Ebben az egyes elemek felületéről visszaverődő fény segített: ha a fényútba egy áttetsző papírt helyezünk, akkor helyes beállításnál a beeső és a visszavert fénysugár foltja egybeesik. Ezt a beállítási ,,trükköt'' a mérés leírása is tartalmazta, igaz, elég szűkszavúan és eldugott helyen. Nem csoda, hogy a versenyzők többsége figyelmen kívül hagyta az erre vonatkozó ,,javaslatot''. ) További nem várt nehézségeket okozott a versenyzőknek (főleg a délutáni csoportban, ahol a magyarok is mértek) egy-egy elromlott eszköz, amit ugyan a rendezők kérésre kicseréltek, de a hiba felismeréséig sok időt lehetett veszteni. Az egyik legnehezebb feladat annak eldöntése, hogy a rendelkezésre álló idő alatt az egyes részfeladatoknál hány mérési pontot lehet és kell felvenni a sikeres kiértékeléshez.
 
 

9. ábra. A lézerdióda karakterisztikája
 

Az A feladatban a lézerdióda karakterisztikáját kellett felvenni, vagyis a detektor feszültségét mérni és ábrázolni a dióda áramának függvényében (9. ábra). Meg kellett határozni a dióda lineáris tartományát és a küszöbáramot (ez a lineáris tartományra illesztett egyenes és az áram tengely metszéspontja). Itt a feladat kitűzői az egyenes illesztésénél számítást (pl. a legkisebb négyzetek módszerét), vagy grafikus módszert (a hibák ábrázolását kis szakaszokkal, minimális és maximális meredekségű lehetséges egyenesek berajzolását vonalzóval), valamint részletes hibaszámítást is elvártak. Sok versenyző nem vette észre az Imax áramnál lévő kis törést (amit a dióda melegedése okoz), és a lineáris tartomány végének azt a pontot tekintette, ahol a görbe a detektor telítődése miatt vízszintessé válik.
A feladat B részében egy ún. 90∘-kal elcsavart nematikus folyadékkristály (90∘ TN LC) cellát vizsgáltak a versenyzők. Ez a cella feszültségmentes állapotban 90∘-kal elcsavarja a polarizált fény polarizációs irányát. Így ha a cellát két párhuzamos állású polárszűrő (polarizátor és analizátor) közé rakjuk, a rendszeren egyáltalán nem jut át fény; ez a normál fekete üzemmód. Ha azonban a cellára feszültséget kapcsolunk, a folyadékkristály molekulái átrendeződnek, és a polarizált fény elcsavarodás nélkül átjut a cellán, és így az analizátoron is. A feladat a kapcsolási görbe (10. ábra) felvétele és kiértékelése volt. A κ=U90-U10U10 kapcsolási meredekség meghatározásához U10 és U90 értékét a mért adatokból interpolációval kellett meghatározni. A Uk kritikus feszültség helyes meghatározásához pedig észre kellett venni és a görbe emelkedő szakaszától el kellett különíteni a cella tényleges átkapcsolása előtt megfigyelhető kis púpot. (Ehhez persze elegendően sűrűn felvett mérési pontokra volt szükség.)
 
 

10. ábra. A 90∘ TN LC cella kapcsolási görbéje
 

A feladat utolsó, C részében egy másik folyadékkristály cellát (párhuzamosan rendezett folyadékkristály) vizsgáltak a versenyzők. Ennél a cellánál, ha a beeső fény polarizációs iránya a cella rendezettségének irányával 45∘-os szöget zár be, a belépő fény két komponensre bomlik, és ezek eltérő sebességgel haladnak át a kristályon (optikai anizotrópia). Az analizátorból kilépő fény intenzitása így a cellán belül létrejövő fáziskülönbségtől függ.
A C.1 feladat az anizotrópia értékének meghatározása volt. Itt tipikus hibalehetőség annak figyelmen kívül hagyása, hogy a fázistolás 2π-nél nagyobb is lehet. A feladat hátralévő része a cella elektro-optikai kapcsolási görbéjének felvétele és kiértékelése volt (11. ábra).
 
 

11. ábra. A párhuzamosan rendezett folyadékkristály cella kapcsolási görbéje
 

Ahhoz, hogy mindkét maximumot és mindhárom minimumot megtalálja valaki, sok mérési pontra van szükség. A π fázistoláshoz tartozó Uπ feszültség meghatározásához észre kellett venni, hogy ez a görbe utolsó (legnagyobb cellafeszültséghez tartozó) minimumhelye (mert a fázistolás növekvő feszültség esetén monoton csökken). A minimumhely környékén újabb mérési pontokat kellett felvenni, és ezekből lehetett Uπ-t viszonylag pontosan meghatározni.
2A mérési eredmények pontos megadása és azok kiértékelésének ismertetése helyett itt csupán néhány jellegzetes (az olimpia szervezői által megadott) mérési grafikont mutatunk be, továbbá néhány méréstechnikai buktatóra szeretnénk felhívni a figyelmet.