霍尔效应实验报告包含：实验目的、实验仪器设备、实验的基本构思和原理、实验数据记录及处理、实验结论、注意事项等。
目的与要求：
（1）了解霍尔效应测量磁场的原理和方法；
（2） 观察磁电效应现象；
（3） 学会用霍尔元件测量磁场及元件参数的基本方法。
霍尔感应的是垂直于其芯片表面的磁场强度，所以要注意的是放置的位置要垂直于磁力线方向，这样测量的结果才会较准。
霍尔效应测磁场，只能测出垂直于电流方向的磁场。所以，必须保证电流方向与磁场方向垂直，否则测出的磁场只是垂直于电流方向的分量，测量值偏小。
解释：
在半导体上外加与电流方向垂直的磁场，会使得半导体中的电子与空穴受到不同方向的洛伦兹力而在不同方向上聚集，在聚集起来的电子与空穴之间会产生电场，电场力与洛伦兹力产生平衡之后，不再聚集，此时电场将会使后来的电子和空穴受到电场力的作用而平衡掉磁场对其产生的洛伦兹力，使得后来的电子和空穴能顺利通过不会偏移，这个现象称为霍尔效应。而产生的内建电压称为霍尔电压。
以上内容参考：百度百科-霍尔效应
实验目的:1、 了解霍尔现象的基本原理2、 学习用霍尔元件测磁场的基本方法3、 熟悉霍尔元件的一些特性实验仪器:霍尔效应测试仪、直流稳流电源（两路）、毫伏电压表(万用表直流毫伏档)、实验原理：1879，美国物理学家霍尔 在长方形薄金属板两边接一个灵敏电流计，如图中所示．沿长轴方向通上电流I，若在长方形法线方向加以磁场，这时灵敏电流计立即发生偏转．这个现象称为“霍尔效应”，而且这个电位差UH与电流I及磁感应强度B成正比，与薄板的厚度d成反比． UH= RH•(I×B)÷d霍尔效应中的几个物理量关系公式：洛仑兹力： F = qvB静电力： F = qE= qUH / b（霍尔片的宽度）霍尔片中的工作电流：P410 I =nqvbd n：载流子浓度 bd：横截面积(lh) v：载流子移动速度霍尔电压： KH＝1／nqd （霍尔系数） 实验步骤:1、熟悉仪器的使用：2、注意保护霍尔元件： 霍尔片工作电流不容许超过10mA!3、注意正确操作开关防止触电、电火花伤人4、验证霍尔现象：测量霍尔电流、电压以及电磁铁电流，分析他们之间的关系
霍尔效应实验报告包含：实验目的、实验仪器设备、实验的基本构思和原理、实验数据记录及处理、实验结论、注意事项等。
1、目的与要求：
（1）了解霍尔效应测量磁场的原理和方法；
（2） 观察磁电效应现象；
（3） 学会用霍尔元件测量磁场及元件参数的基本方法。
2、仪器与装置：霍尔效应实验仪；
3、原理：根据霍尔效应，测量磁感应强度原理，利用提供的仪器测试所给模型测量面上的一维（上下方向）磁分布。
扩展资料
内容及步骤：
1、仪器调整：
（1）按图连接、检查线路，并调节样品支架，使霍尔片位于磁场中间；
（2）逆时针将、调节旋钮旋至最小；
（3）分别将输出、输出接至实验仪中、换向开关；
（4）用导线将、输入短接，通过调零旋钮将、显示调零；
（5）选择、向上关闭为、的正方向。
2、 测量内容：
（1）测绘曲线：保持不变，按要求调节，分别测出不同下的四个值，将数据记录在表格中；
（2）测绘曲线：保持不变，测出不同下四个值；
（3）测VAC：取，在零磁场下（）测，则VAC=10；
（4）确定样品导电类型：选、为正向，根据所测得的的符号,判断样品的导电类型。
物理学作为研究其他自然科学不可缺少的基础,其长期发展形成的科学研究 方法 已广泛应用到各学科当中。下面是我为大家整理的物理学博士论文，供大家参考。
《 物理学在科技创新中的效用 》
摘要：论述了X射线的发现，不仅对医学诊断有重大影响，还直接影响20世纪许多重大发现;半导体的发明，使微电子产业称雄20世纪，并促进信息技术的高速发展，物理学是计算机硬件的基础;原子能理论的提出，使原子能逐步取代石化能源，给人类提供巨大的清洁能源;激光理论的提出及激光器的发明，使激光在工农业生产、医疗、通信、军事上得到广泛应用;蓝光LED的发明，将点亮整个21世纪.事实告诉我们，是物理学推动科技创新，由此得出结论：物理学是科技创新的源泉.昭示人们，高校作为培养人才的场所，理工科要重视大学物理课程.
关键词：X射线;半导体;原子能;激光;蓝光LED;科技创新;大学物理
1引言
物理学是一门研究物质世界最基本的结构、最普遍的相互作用以及最一般的运动规律的科学[1-3]，其内容广博、精深，研究方法多样、巧妙，被视为一切自然科学的基础.纵观物理学发展历史可以发现：其蕴含的科学思维和科学方法能够有效促进学生能力的培养和知识的形成，同时，其每一次新的发现都会带动人类社会的科技创新和科技发展.正因如此，大学物理成为了高等学校理、工科专业必修的一门基础课程.按照 教育 部颁发的相关文件要求[4-5]，大学物理课程最低学时数为126学时，其中理科、师范类非物理专业不少于144学时;大学物理实验最低学时数为54学时，其中工科、师范类非物理专业不少于64学时.然而调查显示，众多高校(尤其是新建本科院校)并没有严格按照教育部颁发的课程基本要求开设大学物理及其实验课程.他们往往打着“宽口径、应用型”的晃子，大幅压缩大学物理和大学物理实验课程的学时，如今，大学物理及其实验课程的总学时数实际仅为32-96学时，远远低于教育部要求的最低标准(180学时).试问这么少的课时怎么讲丰富、深奥的大学物理?怎么能够真正发挥出大学物理的作用?于是有的院、系要求只讲力学，有的要求只讲热学，有的则要求只讲电磁学，…面对这种情况，大学物理的授课教师在无奈状态下讲授大学物理.从《大学物理课程 报告 论坛》上获悉，这不是个别学校的做法，在全国具有普遍性.殊不知，力、热、光、电磁、原子是一个完整的体系，相互联系，缺一不可.这种以消减教学内容为代价，解决课时不足的做法，就如同削足适履，是对教育规律不尊重，是管理者思想意识落后的一种体现.本文且不论述物理学是理工科必修的一门基础课，只论及物理学是科技创新的源泉这一命题，以期提高教育管理者对大学物理课程重要性的认识.
2物理学是科技创新的源泉
且不说力学和热力学的发展，以蒸汽机为标志引发了第一次工业革命，欧洲实现了机械化;且不说库伦、法拉第、楞次、安培、麦克斯韦等创立的电磁学的发展，以电动机为标志引发了第二次工业革命，欧美实现了电气化.这两次工业革命没有发生在中国，使中国近代落后了.本文着重论述近代物理学的发展对科学技术的巨大推动作用，从而得出结论：物理学是科技创新的源泉.1895年，威廉•伦琴(WilhelmR魻ntgen)发现X射线，这种射线在电场、磁场中不发生偏转，穿透能力很强，由于当时不知道它是什么，故取名X射线.直到1912年，劳厄(MaxvonLaue)用晶体中的点阵作为衍射光栅，确定它是一种光波，波长为10-10m的数量级[6].伦琴获1901年诺贝尔物理学奖，他发现的X射线开创了医学影像技术，利用X光机探测骨骼的病变，胸腔X光片诊断肺部病变，腹腔X光片检测肠道梗塞.CT成像也是利用X射线成像，CT成像既可以提供二维(2D)横切面又可以提供三维(3D)立体表现图像，它可以清楚地展示被检测部位的内部结构，可以准确确定病变位置.当今，各医院都设置放射科，X射线在医学上得到充分利用.X射线的发现不仅对医学诊断有重大影响，还直接影响20世纪许多重大科学发现.1913-1914年，威廉•享利•布拉格(willianHenrgBragg)和威廉•劳仑斯•布拉格(WillianLawrenceBragg)提供布拉格方程[6，P140]2dsinα=kλ(k=1,2,3…)式中d为晶格常数，α为入射光与晶面夹角，λ为X射线波长.布拉格父子提出使用X射线衍射研究晶体原子、分子结构，创立了X射线晶体结构分析这一学科，布拉格父子获1915年诺贝尔物理学奖.当今，X射线衍射仪不仅在物理学研究，而且在化学、生物、地质、矿产、材料等学科得到广泛应用，所有从事自然科学研究的科研院所和大多数高等学校都有X射线衍射仪，它是研究物质结构的必备仪器.1907年，威廉•汤姆孙(W•Thomson)发现电子，电子质量me=9.11×10-31kg，电子荷电e=-1.602×10-19C.电子的荷电性引发了20世纪产生革命.1947年，美国的巴丁、布莱顿和肖克利研究半导体材料时，发现Ge晶体具有放大作用，发明了晶体三极管，很快取代电子管，随后晶体管电路不断向微型化发展.1958年，美国的工程师基尔比制成第一批集成电路.1971年，英特尔公司的霍夫把计算机的中央处理器的全部功能集成在一块芯片上，制成世界上第一个微处理器.80年代末，芯片上集成的元件数已突破1000万大关.微电子技术改变了人类生活，微电子技术称雄20世纪，进入21世纪微电子产业仍继续称雄.到各个工业区看看，发现电子厂比比皆是，这真是小小电子转动了整个地球啊!电子不仅具有荷电性，还具有荷磁性.
1925年，乌伦贝克—哥德斯密脱(Uhlenbeck-Goudsmit)提出自旋假说，每个电子都具有自旋角动量S轧，它在空间任意方向上的投影只可能取两个数值，Sz=±h2;电子具有荷磁性，每个电子的磁矩为MSz=芎μB(μB为玻尔磁子)[7].电子的荷磁性沉睡了半个多世纪，直到1988年阿贝尔•费尔(AlberFert)和彼得•格林贝格尔(PeterGrünberg)发现在Fe/Cr多层膜中，材料的电阻率受材料磁化状态的变化呈显著改变，其机理是相临铁磁层间通过非磁性Cr产生反铁磁耦合，不加磁场时电阻率大，当外加磁场时，相邻铁磁层的磁矩方向排列一致，对电子的散射弱，电阻率小.利用磁性控制电子的输运，提出巨磁电阻效应(giantmagnetoresistance,GMR)，磁电阻MR定义MR=ρ(0)+ρ(H)ρ(0)×100%式中ρ(0)为零场下的电阻率，ρ(H)为加场下的电阻率[8].GMR效应的发现引起科技界强烈关注，1994年IBM公司依据巨磁电阻效应原理，研制出“新型读出磁头”，此前的磁头是用锰铁磁体，磁电阻MR只有1%-2%，而新型读出磁头的MR约50%，将磁盘记录密度提高了17倍，有利于器件小型化，利用新型读出磁头的MR才出现 笔记本 电脑、MP3等，GMR效应在磁传感器、数控机库、非接触开关、旋转编码器等方面得到广泛应用.阿尔贝?费尔和彼得?格林贝格尔获2007年诺贝尔物理学奖.1993年，Helmolt等人[9]在La2/3Ba1/3MnO3薄膜中观察到MR高达105%，称为庞磁电阻(Colossalmagnetoresistance,CMR)，钙钛矿氧化物中有如此高的磁电阻，在磁传感、磁存储、自旋晶体管、磁制冷等方面有着诱人的应用前景，引起凝聚态物理和材料科学科研人员的极大关注[10-12].然而，CMR效应还没有得到实际应用，原因是要实现大的MR需要特斯拉量级的外磁场，问题出在CMR产生的物理机制还没有真正弄清楚.1905年，爱因斯坦提出[13]：“就一个粒子来说，如果由于自身内部的过程使它的能量减小了，它的静质量也将相应地减小.”提出著名的质能关系式△E=△m莓C2式中△m.表示经过反应后粒子的总静质量的减小，△E表示核反应释放的能量.爱因斯坦又提出实现热核反应的途径：“用那些所含能量是高度可变的物体(比如用镭盐)来验证这个理论，不是不可能成功的.”按照爱因斯坦的这一重大物理学理论，1938年物理学家发现重原子核裂变.核裂变首先被用于战争，1945年8月6日和9日，美国对日本的广岛和长崎各投下一颗原子弹，迫使日本接受《波茨坦公告》，于8月15日宣布无条件投降.后来原子能很快得到和平利用，1954年莫斯科附近的奥布宁斯克原子能发电站投入运行.2009年，美国有104座核电站，核电站发电量占本国发电总量的20%，法国有59台机组，占80%;日本有55座核电站，占30%.截至2015年4月，我国运行的核电站有23座，在建核电站有26座，产能为21.4千兆瓦，核电站发电量占我国发电总量不足3%，所以我国提出大力发展核电，制定了到2020年核电装机总容量达到58千兆瓦的目标.核能的利用，一方面减少了化石能源的消耗，从而减少了产生温室效应的气体———二氧化碳的排放，另一方面有力地解决能源危机.利用海水中的氘和氚发生核聚变可以产生巨大能量，受控核聚变正在研究中，若受控核聚变研究成功将为人类提供取之不尽用之不竭的能量.那时，能源危机彻底解除.
20世纪最杰出的成果是计算机，物理学是计算机硬件的基础.从1946年计算机问世以来，经历了第一至第五代，计算机硬件中的电子元件随着物理学的进步，依次经历了电子管、晶体管、中小规模集成电路、大规模集成电路、超大规模集成电路;主存储器用的是磁性材料，随着物理学的进步，磁性材料的性能越来越高，计算机的硬盘越来越小.近日在第十六届全国磁学和磁性材料会议(2015年10月21—25日)上获悉，中科院强磁场中心、中科院物理所等，正在对斯格明子(skyrmions)进行攻关,斯格明子具有拓扑纳米磁结构，将来的笔记本电脑的硬盘只有花生大小，ipod平板电脑的硬盘缩小到米粒大小.量子力学催生出隧道二极管，量子力学指导着研究电子器件大小的极限，光学纤维的发明为计算机网络提供数据通道.
1916年，爱因斯坦提出光受激辐射原理，时隔44年，哥伦比亚大学的希奥多•梅曼(TheodoreMaiman)于1960制成第一台激光器[14].由于激光具有单色性好，相干性好，方向性好和亮度高等特点，在医疗、农业、通讯、金属微加工，军事等方面得到广泛应用.激光在其他方面的应用暂不展开论述，只谈谈激光加工技术在工业生产上的应用.激光加工技术对材料进行切割、焊接、表面处理、微加工等，激光加工技术具有突出特点：不接触加工工件，对工件无污染;光点小，能量集中;激光束容易聚焦、导向，便于自动化控制;安全可靠，不会对材料造成机械挤压或机械应力;切割面光滑、无毛刺;切割面细小，割缝一般在0.1-0.2mm;适合大件产品的加工等.在汽车、飞机、微电子、钢铁等行业得到广泛应用.2014年，仅我国激光加工产业总收入约270亿人民币，其中激光加工设备销售额达215亿人民币.
2014年，诺贝尔物理学奖授予赤崎勇、天野浩、中山修二等三位科学家，是因为他们发明了蓝色发光二极管(LED)，帮助人们以更节能的方式获得白光光源.他们的突出贡献在于，在三基色红、绿、蓝中，红光LED和绿光LED早已发明，但制造蓝光LED长期以来是个难题，他们三人于20世纪90年代发明了蓝光LED，这样三基色LED全被找到了，制造出来的LED灯用于照明使消费者感到舒适.这种LED灯耗能很低，耗能不到普通灯泡的1/20，全世界发的电40%用于照明，若把普通灯泡都换成LED灯，全世界每个节省的电能数字惊人!物理学研究给人类带来不可估量的益处.2010年，英国曼彻斯特大学科学家安德烈•海姆(AndreGeim)和康斯坦丁•诺沃肖洛夫(Kon-stantinNovoselov)，因发明石墨烯材料，获得诺贝尔物理学奖.目前，集成电路晶体管普遍采用硅材料制造，当硅材料尺寸小于10纳米时，用它制造出的晶体管稳定性变差.而石墨烯可以被刻成尺寸不到1个分子大小的单电子晶体管.此外，石墨烯高度稳定，即使被切成1纳米宽的元件，导电性也很好.因此，石墨烯被普遍认为会最终替代硅，从而引发电子工业革命[14].2012年，法国科学家沙吉•哈罗彻(SergeHaroche)与美国科学家大卫•温兰德(DavidJ.win-land)，在“突破性的试验方法使得测量和操纵单个量子系统成为可能”.他们的突破性的方法，使得这一领域的研究朝着基于量子物理学而建造一种新型超快计算机迈出了第一步[16].
2013年，由清华大学薛其坤院士领衔、清华大学物理系和中科院物理研究所组成的实验团队从实验上首次观测到量子反常霍尔效应.早在2010年，我国理论物理学家方忠、戴希等与张首晟教授合作，提出磁性掺杂的三维拓扑绝缘体有可能是实现量子化反常霍尔效应的最佳体系，薛其坤等在这一理论指导下开展实验研究，从实验上首次观测到量子反常霍尔效应.我们使用计算机的时候，会遇到计算机发热、能量损耗、速度变慢等问题.这是因为常态下芯片中的电子运动没有特定的轨道、相互碰撞从而发生能量损耗.而量子霍尔效应则可以对电子的运动制定一个规则，电子自旋向上的在一个跑道上，自旋向下的在另一个跑道上，犹如在高速公路上，它们在各自的跑道上“一往无前”地前进，不产生电子相互碰撞，不会产生热能损耗.通过密度集成，将来计算机的体积也将大大缩小，千亿次的超级计算机有望做成现在的iPad那么大.因此，这一科研成果的应用前景十分广阔[17].物理学的每一个重大发现、重大发明，都会开辟一块新天地，带来产业革命，推动社会进步，创造巨大物质财富.纵观科学与技术发展史，可以看出物理学是科技创新的源泉.
3结语
论述了X射线，电子、半导体、原子能、激光、蓝光LED等的发现或发明对人类进步的巨大推动作用，自然得出结论，物理学是科技创新的源泉.打开国门看一看，美国的著名大学非常注重大学物理，加州理工大学所有一、二年级的公共物理课程总学时为540，英、法、德也在400-500学时[18].国内高校只有中国科学技术大学的大学物理课程做到了与国际接轨，以他们的数学与应用数学为例，大一开设：力学与热学80学时，大学物理—基础实验54学时;大二开设：电磁学80学时，光学与原子物理80学时，大学物理—综合实验54学时;大三开设：理论力学60学时，大学物理及实验总计408学时.在大力倡导全民创业万众创新的今天，高等学校理所应当重视物理学教学.各高校的理工科要按照教育部高等学校非物理类专业物理基础课程教学指导委员会颁发的《非物理类理工学科大学物理课程/实验教学基本要求》给足大学物理课程及大学物理实验课时.
参考文献：
〔1〕祝之光.物理学[M].北京：高等教育出版社，2012.1-10.
〔2〕马文蔚，周雨青.物理学教程[M].北京：高等教育出版社，2006.I-V1.
〔3〕倪致祥，朱永忠，袁广宇，黄时中，大学物理学[M].合肥：中国科学技术大学出版社，2005.前言.
〔4〕教育部高等学校非物理类专业物理基础课程教学指导分委员会.非物理类理工学科大学物理课程教学基本要求[J].物理与工程，2006，16(5)
〔5〕教育部高等学校非物理类专业物理基础课程教学指导分委员会.非物理类理工学科大学物理实验课程教学基本要求[J].物理与工程，2006,16(4)：1-3.
〔6〕姚启钧，光学教程[M].北京;高等教育出版社，2002.138-139.
〔7〕张怪慈.量子力学简明教授[M].北京：人民教育出版社，1979.182-183.
〔8〕孙阳(导师：张裕恒).钙钛矿结构氧化物中的超大磁电阻效应及相关物性[D].中国科学技术大学，2001.10-11.
《 应用物理学专业光伏技术培养方案研究 》
一、开设半导体材料及光伏技术方向的必要性
由于我校已经有材料与化学工程学院，开设了高分子、化工类材料、金属材料等专业，应用物理、物理学专业的方向就只有往半导体材料及光伏技术方向靠，而半导体材料及光伏技术与物理联系十分紧密。因此，我们物理系开设半导体材料及光伏技术有得天独厚的优势。首先，半导体材料的形成原理、制备、检测手段都与物理有关;其次，光伏技术中的光伏现象本身就是一种物理现象，所以只有懂物理的人，才能将物理知识与这些材料的产生、运行机制完美地联系起来，进而有利于新材料以及新的太阳能电池的研发。从半导体材料与光伏产业的产业链条来看，硅原料的生产、硅棒和硅片生产、太阳能电池制造、组件封装、光伏发电系统的运行等，这些过程都包含物理现象和知识。如果从事这个职业的人懂得这些现象，就能够清晰地把握这些知识，将对行业的发展起到很大的推动作用。综上所述，不仅可以在我校的应用物理学专业开设半导体材料及光伏技术方向，而且应该把它发展为我校应用物理专业的特色方向。
二、专业培养方案的改革与实施
(一)应用物理学专业培养方案改革过程
我校从2004年开始招收应用物理学专业学生，当时只是粗略地分为光电子方向和传感器方向，而课程的设置大都和一般高校应用物理学专业的设置一样，只是增设了一些光电子、传感器以及控制方面的课程，完全没有自己的特色。随着对学科的深入研究，周边高校的互访调研以及自贡和乐山相继成为国家级新材料基地，我们逐步意识到半导体材料及光伏技术应该是一个应用物理学专业的可持续发展的方向。结合我校的实际情况，我们从2008年开始修订专业培养方案，用半导体材料及光伏技术方向取代传感器方向，成为应用物理学专业方向之一。在此基础上不断修改，逐步形成了我校现有的应用物理专业的培养方案。我们的培养目标:学生具有较扎实的物理学基础和相关应用领域的专业知识;并得到相关领域应用研究和技术开发的初步训练;具备较强的知识更新能力和较广泛的科学技术适应能力，使其成为具有能在应用物理学科、交叉学科以及相关科学技术领域从事应用研究、教学、新技术开发及管理工作的能力，具有时代精神及实践能力、创新意识和适应能力的高素质复合型应用人才。为了实现这一培养目标，我们在通识教育平台、学科基础教育平台、专业教育平台都分别设有这方面的课程，另外还在实践教育平台也逐步安排这方面的课程。
(二)专业培养方案的实施
为了实施新的培养方案，我们从几个方面来入手。首先，在师资队伍建设上。一方面，我们引入学过材料或凝聚态物理的博士，他们在半导体材料及光伏技术方面都有自己独到的见解;另一方面，从已有的教师队伍中选出部分教师去高校或相关的工厂、公司进行短期的进修培训，使大家对半导体材料及光伏技术有较深的认识，为这方面的教学打下基础。其次，在教学改革方面。一方面，在课程设置上，我们准备把物理类的课程进行重新整合，将关系紧密的课程合成一门。另一方面，我们将应用物理学专业的两个方向有机地结合起来，在光电子技术方向的专业课程设置中，我们有意识地开设了一些课程，让半导体材料及光伏技术方向的学生能够去选修这些课程，让他们能够对光伏产业的生产、检测、装备有更全面的认识。最后，在实践方面。依据学校资源共享的原则，在材料与化学工程学院开设材料科学实验和材料专业实验课程，使学生对材料的生产、检测手段有比较全面的认识，并开设材料科学课程设计，让学生能够把理论知识与实践联系起来，为以后在工作岗位上更好地工作打下坚实的基础。
三、 总结
半导体材料及光伏行业是我国大力发展的新兴行业，受到国家和各省市的大力扶持，符合国家节能环保的主旋律，发展前景十分看好。由于我们国家缺乏这方面的高端人才和行业指挥人，在这个行业还没有话语权。我们的产品大都是初级产品或者是行业的上游产品，没有进行深加工。目前行业正处在发展的困难时期，但也正好为行业的后续发展提供调整。只要我们能够提高技术水平和产品质量，并积极拓展国内市场，这个行业一定会有美好的前景。要提高技术水平和产品质量，就需要有这方面的技术人才，而高校作为人才培养的主要基地，有责任肩负起这个重任。由于相关人才培养还没有形成系统模式，这就更需要高校和企业紧密联系，共同努力，为半导体材料及光伏产业的人才培养探索出一条可持续发展的光明大道，也为我国的新能源产业发展做出自己的贡献。
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“你说这么薄算二维吗？”复旦大学物理学系教授修发贤拿起一张A4纸：“这个厚度最起码已经到几十微米了，但真正的二维是几个原子层厚，仅有几纳米，是纸张厚度的万分之一。”
量子霍尔效应是20世纪以来凝聚态物理领域最重要的科学发现之一，迄今已有4个诺贝尔奖与其直接相关。但100多年来，科学家们对量子霍尔效应的研究仍停留于二维体系，从未涉足三维领域。
修发贤课题组近日在该领域实现突破，在拓扑半金属砷化镉纳米片中观测到了由外尔轨道形成的新型三维量子霍尔效应的直接证据，迈出了从二维到三维的关键一步。
12月18日，相关研究成果在线发表于《自然》。
给电子“定规矩”
三维量子霍尔效应真的存在吗
早在130多年前，美国物理学家霍尔就发现，对通电的导体加上垂直于电流方向的磁场，电子的运动轨迹将发生偏转，在导体的纵向方向产生电压，这个电磁现象就是“霍尔效应”。如果将电子限制在二维平面内，在强大的磁场作用下，电子的运动可以在导体边缘做一维运动，变得“讲规则”“守秩序”。
但以往的实验证明，量子霍尔效应只会在二维或者准二维体系中发生。“比如说这间屋子，除了上表面、下表面，中间还存在一个空间。”修发贤用手上下比划着。人们知道，在“天花板”或者“地面”上，电子可以沿着“边界线”有条不紊地做着规则运动，一列朝前，一列向后，像是两列在各自轨道上疾驰的列车。那么，在立体空间中呢？
三维体系中存在量子霍尔效应吗？如果有，电子的运动机制是什么？
观测到量子霍尔效应
但电子运动机制并不明确
6年前，修发贤加入复旦大学物理学系。2014年，在拓扑半金属领域，他选择了材料体系非常好的砷化镉“试着研究一下”，谁料“一发不可收拾”。从大块的体材料，到大片的薄膜，再到纳米类结构和纳米单晶，他带着学生们孜孜不倦地深耕于此，乐此不疲。
“我们在砷化镉纳米片中看到这一现象时非常震惊，三维体系里边怎么会出现量子霍尔效应？”2016年10月，修发贤及其团队第一次用高质量的三维砷化镉纳米片观测到量子霍尔效应时，就像目睹 汽车 飞到空中那样又惊又喜。
很快，他们的这一发现发表在了《自然—通讯》上。随后，在样品制备过程中借鉴修发贤团队前期已发表的经验，日本和美国也有科学家在同样的体系中观测到了这一效应。但遗憾的是，基于当时的实验结果，实际的电子运动机制并不明确。
课题组提出了他们的猜想：一种可能的方式是从上表面到下表面的体态穿越，电子做了垂直运动；另一种可能是电子在上下两个表面，即在两个二维体系中，分别独立形成了量子霍尔效应。
研究人员决定“打破砂锅问到底”。但是，面对千分之一根头发丝粗细的实验材料和快如闪电的电子运动速度，这实验该怎么做？
把“房子”放歪
发现来源于外尔轨道的运动机制
“我们把‘房子’放歪了！”实验材料虽小，灵感却可以从日常生活而来。修发贤课题组想了一个办法，他们创新性地利用楔形样品实现可控的厚度变化。“屋顶被倾斜了，房子内部上下表面的距离就会发生变化。”修发贤比划出一个“横倒的梯形”。
通过测量量子霍尔平台出现的磁场，可以用公式推算出量子霍尔台阶。实验发现，电子在其中的运动轨道能量直接受到样品厚度的影响。这说明，随着样品厚度的变化，电子的运动时间也在变。所以，电子在做与样品厚度相关的纵向运动，其隧穿行为被证明了。
“电子在上表面走四分之一圈，穿越到下表面，完成另外一个四分之一圈后，再穿越回上表面，形成半个闭环，这个隧穿行为是无耗散的，所以可以保证电子在整个回旋运动中仍然是量子化的。”修发贤说，整个轨道就是三维的“外尔轨道”，是砷化镉纳米结构中量子霍尔效应的来源。
至此，三维量子霍尔效应的奥秘终于被揭开了。
对于这次成果的诞生，修发贤觉得，在砷化镉的研究方面，这才刚刚开始。
霍尔元件是一种基于霍尔效应的磁传感器,已发展成一个品种多样的磁传感器产品族，并已得到广泛的应用。本文简要介绍其工作原理， 产品特性及其典型应用。霍尔器件具有许多优点，它们的结构牢固，体积小，重量轻，寿命长，安装方便，功耗小，频率高（可达1MHZ），耐震动，不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀。霍尔线性器件的精度高、线性度好；霍尔开关器件无触点、无磨损、输出波形清晰、无抖动、无回跳、位置重复精度高（可达μm级）。取用了各种补偿和保护措施的霍尔器件的工作温度范围宽，可达－55℃～150℃。 按照霍尔器件的功能可将它们分为: 霍尔线性器件 和 霍尔开关器件 。前者输出模拟量，后者输出数字量。 按被检测的对象的性质可将它们的应用分为:直接应用和间接应用。前者是直接检测出受检测对象本身的磁场或磁特性，后者是检测受检对象上人为设置的磁场，用这个磁场来作被检测的信息的载体，通过它，将许多非电、非磁的物理量例如力、力矩、压力、应力、位置、位移、速度、加速度、角度、角速度、转数、转速以及工作状态发生变化的时间等，转变成电量来进行检测和控制。 一 霍尔器件的工作原理在磁场作用下，通有电流的金属片上产生一横向电位差如图1所示：这个电压和磁场及控制电流成正比： VH＝K╳｜H╳IC｜式中VH为霍尔电压，H为磁场，IC为控制电流，K为霍尔系数。在半导体中霍尔效应比金属中显著，故一般霍尔器件是采用半导体材料制作的。用霍尔器件，可以进行非接触式电流测量，众所周知，当电流通过一根长的直导线时，在导线周围产生磁场，磁场的大小与流过导线的电流成正比，这一磁场可以通过软磁材料来聚集，然后用霍尔器件进行检测，由于磁场与霍尔器件的输出有良好的线性关系，因此可利用霍尔器件测得的讯号大小，直接反应出电流的大小，即： I∞B∞VH其中I为通过导线的电流，B为导线通电流后产生的磁场，VH为霍尔器件在磁场B中产生的霍尔电压、当选用适当比例系数时，可以表示为等式。霍尔传感器就是根据这种工作原理制成的。 二 霍尔传感器的应用1 霍尔接近传感器和接近开关 在霍尔器件背后偏置一块永久磁体，并将它们和相应的处理电路装在一个壳体内，做成一个探头，将霍尔器件的输入引线和处理电路的输出引线用电缆连接起来，构成如图1所示的接近传感器。它们的功能框见图19。(a)为霍尔线性接近传感器，(b)为霍尔接近开关。 图1 霍尔接近传感器的外形图 a)霍尔线性接近传感器 (b)霍尔接近开关 图2 霍尔接近传感器的功能框图 霍尔线性接近传感器主要用于黑色金属的自控计数，黑色金属的厚度检测、距离检测、齿轮数齿、转速检测、测速调速、缺口传感、张力检测、棉条均匀检测、电磁量检测、角度检测等。 霍尔接近开关主要用于各种自动控制装置，完成所需的位置控制，加工尺寸控制、自动计数、各种计数、各种流程的自动衔接、液位控制、转速检测等等。3.2.7霍尔翼片开关 霍尔翼片开关就是利用遮断工作方式的一种产品，它的外形如图20所示，其内部结构及工作原理示于图21。 图3 霍尔翼片开关的外形图 2 霍尔齿轮传感器 如图4所示,新一代的霍尔齿轮转速传感器，广泛用于新一代的汽车智能发动机，作为点火定时用的速度传感器，用于ABS（汽车防抱死制动系统）作为车速传感器等。 在ABS中，速度传感器是十分重要的部件。ABS的工作原理示意图如图23所示。图中，1是车速齿轮传感器；2是压力调节器；3是控制器。在制动过程中，控制器3不断接收来自车速齿轮传感器1和车轮转速相对应的脉冲信号并进行处理，得到车辆的滑移率和减速信号，按其控制逻辑及时准确地向制动压力调节器2发出指令，调节器及时准确地作出响应，使制动气室执行充气、保持或放气指令，调节制动器的制动压力，以防止车轮抱死，达到抗侧滑、甩尾，提高制动安全及制动过程中的可驾驭性。在这个系统中，霍尔传感器作为车轮转速传感器，是制动过程中的实时速度采集器，是ABS中的关键部件之一。 在汽车的新一代智能发动机中，用霍尔齿轮传感器来检测曲轴位置和活塞在汽缸中的运动速度，以提供更准确的点火时间，其作用是别的速度传感器难以代替的，它具有如下许多新的优点。 （1）相位精度高，可满足0.4°曲轴角的要求，不需采用相位补偿。 （2）可满足0.05度曲轴角的熄火检测要求。 （3）输出为矩形波，幅度与车辆转速无关。在电子控制单元中作进一步的传感器信号调整时，会降低成本。 用齿轮传感器，除可检测转速外，还可测出角度、角速度、流量、流速、旋转方向等等。 图4 霍尔速度传感器的内部结构 1. 车轮速度传感器2.压力调节器3.电子控制器2. 图4 ABS气制动系统的工作原理示意图 3 旋转传感器 按图5所示的各种方法设置磁体，将它们和霍尔开关电路组合起来可以构成各种旋转传感器。霍尔电路通电后，磁体每经过霍尔电路一次，便输出一个电压脉冲。 (a)径向磁极(b)轴向磁极(c)遮断式 图5 旋转传感器磁体设置 由此，可对转动物体实施转数、转速、角度、角速度等物理量的检测。在转轴上固定一个叶轮和磁体，用流体（气体、液体）去推动叶轮转动，便可构成流速、流量传感器。在车轮转轴上装上磁体，在靠近磁体的位置上装上霍尔开关电路，可制成车速表，里程表等等，这些应用的实例如图25所示。 图6的壳体内装有一个带磁体的叶轮，磁体旁装有霍尔开关电路，被测流体从管道一端通入，推动叶轮带动与之相连的磁体转动，经过霍尔器件时，电路输出脉冲电压，由脉冲的数目，可以得到流体的流速。若知管道的内径，可由流速和管径求得流量。霍尔电路由电缆35来供电和输出。 图6 霍尔流量计 由图7可见，经过简单的信号转换，便可得到数字显示的车速。 利用锁定型霍尔电路，不仅可检测转速，还可辨别旋转方向，如图27所示。 曲线1对应结构图（a）,曲线2对应结构图(b)，曲线3对应结构图(c)。 图7 霍尔车速表的框图 图8 利用霍尔开关锁定器进行方向和转速测定 4 在大电流检测中的应用 在冶金、化工、超导体的应用以及高能物理（例如可控核聚变）试验装置中都有许多超大型电流用电设备。用多霍尔探头制成的电流传感器来进行大电流的测量和控制，既可满足测量准确的要求，又不引入插入损耗，还免除了像使用罗果勘斯基线圈法中需用的昂贵的测试装置。图9示出一种用于DⅢ－D托卡马克中的霍尔电流传感器装置。采用这种霍尔电流传感器，可检测高达到300kA的电流。 图9（a）为G－10安装结构，中心为电流汇流排，(b)为电缆型多霍尔探头，(c)为霍尔电压放大电路。 (a)G�10安装结构(b)电缆型多霍尔探头(c)霍尔电压放大电路 图9 多霍尔探头大电流传感器 图10霍尔钳形数字电流表线路示意图 图11霍尔功率计原理图 (a)霍尔控制电路 (b)霍尔磁场电路 图12霍尔三相功率变送器中的霍尔乘法器 图13霍尔电度表功能框图 图14霍尔隔离放大器的功能框图 5 霍尔位移传感器 若令霍尔元件的工作电流保持不变，而使其在一个均匀梯度磁场中移动，它输出的霍尔电压VH值只由它在该磁场中的位移量Z来决定。图15示出3种产生梯度磁场的磁系统及其与霍尔器件组成的位移传感器的输出特性曲线，将它们固定在被测系统上，可构成霍尔微位移传感器。从曲线可见，结构（b）在Z<2mm时，VH与Z有良好的线性关系，且分辨力可达1μm，结构（C）的灵敏度高，但工作距离较小。 图15 几种产生梯度磁场的磁系统和几种霍尔位移传感器的静态特性 用霍尔元件测量位移的优点很多：惯性小、频响快、工作可靠、寿命长。 以微位移检测为基础，可以构成压力、应力、应变、机械振动、加速度、重量、称重等霍尔传感器。 6 霍尔压力传感器 霍尔压力传感器由弹性元件，磁系统和霍尔元件等部分组成，如图16所示。在图16中，（a）的弹性元件为膜盒，(b)为弹簧片，(c)为波纹管。磁系统最好用能构成均匀梯度磁场的复合系统，如图29中的(a)、(b)，也可采用单一磁体，如（c）。加上压力后，使磁系统和霍尔元件间产生相对位移，改变作用到霍尔元件上的磁场，从而改变它的输出电压VH。由事先校准的p～f(VH)曲线即可得到被测压力p的值。 图16 几种霍尔压力传感器的构成原理 7 霍尔加速度传感器 图17示出霍尔加速度传感器的结构原理和静态特性曲线。在盒体的O点上固定均质弹簧片S,片S的中部U处装一惯性块M，片S的末端b处固定测量位移的霍尔元件H，H的上下方装上一对永磁体，它们同极性相对安装。盒体固定在被测对象上，当它们与被测对象一起作垂直向上的加速运动时，惯性块在惯性力的作用下使霍尔元件H产生一个相对盒体的位移，产生霍尔电压VH的变化。可从VH与加速度的关系曲线上求得加速度。 图17 霍尔加速度传感器的结构及其静态特性 三 小结目前霍尔传感器已从分立元件发展到了集成电路的阶段，正越来越受到人们的重视，应用日益广泛。
1985年诺贝尔物理学奖授予德国斯图加特固体研究马克斯·普朗克研究所的冯·克利青（Klaus von Klitzing，1943-）,以表彰他发现了量子霍耳效应。霍耳效应是 1879年美国物理学家霍耳（Edwin Hall）研究载流导体在磁场中导电的性质时发现的一种电磁效应。他在长方形导体薄片上通以电流，沿电流的垂直方向加磁场，发现在与电流和磁场两者垂直的两侧面产生了电势差。后来这个效应广泛应用于半导体研究。一百年过去了。1980年一种新的霍耳效应又被发现。这就是德国物理学家冯·克利青从金属-氧化物-半导体场效应晶体管（MOSFET）发现的量子霍耳效应。他在硅MOSFET管上加两个电极，把MOSFET管放到强磁场和深低温下，证明霍耳电阻随栅压变化的曲线上出现一系列平台，与平台相应的霍耳电阻等于RH＝h/i·e2，其中i是正整数1，2，3，……，这一发现是20世纪以来凝聚态物理学、各门新技术（包括低温、超导、真空、半导体工艺、强磁场等）综合发展以及冯·克利青创造性的研究工作所取得的重要成果。从50年代起，由于晶体管工业的兴盛，半导体表面研究成了热门课题，半导体物理学中兴起了一个崭新领域——二维电子系统。1957年，施里弗（J.R.Schrieffer）提出反型层理论，认为如果与半导体表面垂直的电场足够强，就可以在表面附近出现与体内导电类型相反的反型层。由于反型层中的电子被限制在很窄的势阱里，与表面垂直的电子运动状态应是量子化的，形成一系列独立能级，而与表面平行的电子运动不受拘束。这就是所谓的二维电子系统。当处于低温状态时，垂直方向的能态取最低值——基态。由于半导体工艺的发展，60年代初出现了平面型硅器件，用SiO2覆盖硅表面制成了硅MOSFET管，为研究反型层的性能提供了理想器件。改变MOSFET的栅极电压可以控制反型层中的电子浓度。1966年，美国 IBM公司的福勒（A.B.Fowler），方复（F.F.Fang），霍华德（W.E.Howard）与斯泰尔斯（P.J.Styles）用实验证实了施里弗的理论预见。他们把P型硅作为衬底的MOSFET放在强磁场中，在深低温下测源极与漏极之间的电导。改变栅压VG，测出的电导呈周期性变化，有力地证实了二维电子系统的存在。这个实验激起了物理学家的浓厚兴趣，使二维电子系统成了国际上普遍重视的研究对象。70年代中期，日本东京大学年轻的物理学家安藤恒也（T.Ando）和他的老师植村泰忠（Y.Uemura）从理论上系统地研究了二维电子系统在强磁场中的输运现象，对二维电子系统的霍耳效应作了理论分析。与此同时，世界上有好几个机构在进行有关二维电子系统的实验工作，其中尤以冯·克利青所在的维尔茨堡大学最为积极。冯·克利青1943年6月28日出生于波森（Posen）的叙罗达（Schroda），德国国籍，1962年进入布朗许瓦格（Braunschweig）技术大学攻读物理。他利用假期到联邦技术物理研究所（PTB）的半导体实验室做学生工，在那里他认识了著名的物理学家兰德威尔（G.Landwehr）教授。冯·克利青在工作中丰富了实践经验，开拓了视野，并且对精密测量的重要性有了很透彻的认识，因为联邦技术物理研究所实际上是负责精密计量标准的科研机构。1969年，冯·克利青在凯斯勒（R.Kessler）教授的指导下完成了题为“用光衰减法测量锑化铟中的载流子寿命”的硕士论文。接着跟随兰德威尔教授到维尔茨堡大学物理研究所，在兰德威尔指导下当博士研究生。兰德威尔安排他研究强磁场和液氦温度下处于量子极限的Te单晶的输运特性。在这项研究中冯·克利青发现了所谓的“磁致不纯效应”（magneto-impurity effect）。1972年冯·克利青以优异成绩得博士学位，并留在维尔茨堡大学，当兰德威尔教授的研究助手。兰德威尔教授专门从事半导体输运特性的研究，是联邦德国开展二维电子系统研究的先驱。他们跟西门子公司的研究组有密切联系，而西门子公司在硅MOSFET管的制作上有丰富经验，可以为他们提供高质量的产品以供试验。1976年维尔茨堡大学又新添置了超导磁体（采用Nb3Sn和 NbTi线圈），磁场可达14.6T，为精密测量霍耳电阻作好了物质准备。冯·克利青早在当学生工时就熟悉了强磁场技术，不过那时用的是脉冲式强磁铁，采用高压电容放电，铜线圈用液氮冷却，冯·克利青曾对线圈进行过校准。在研究二维电子系统的过程中，冯·克利青和他的合作者恩格勒特（T.Englert），以及研究生爱伯特（G.Ebert）都曾在霍耳电阻随栅极电压变化的曲线上观察到平台。日本人川路绅治也报导过类似的现象。在1978年中已有多起文献记载了这一特性，当时并没有引起人们的重视，只有冯·克利青敏锐地注意到并作了坚持不懈的研究。他发现 MOSFET的霍耳电阻按 h/e2的分数量子化是在 1980年2月5日凌晨。那时他正在法国格勒诺勃（Grenoble)的强磁场实验室里测量各种样品的霍耳电阻。这个实验室是马克斯·普朗克固体研究所与法国国家研究中心（CNRS）联合建设的，1978年由兰德威尔教授担任实验室主任。恩格勒特随他一起来到格勒诺勃，从事二维电子系统的研究。1979年秋，冯·克利青也来参加。他们拥有一台强达 25 T的磁场设备，比别的地方强得多，得到的霍耳平台也显著得多。他们测量的所有样品都显示有同样的特征，i=4的平台霍耳电阻都等于6450 Ω，正好是 h/4e2。这个值与材料的具体性质无关，只决定于基本物理常数h与e。对于这件事，冯·克利青自己曾说过：“量子霍耳效应的真谛并不在于发现霍耳电阻曲线上有平台，这种平台在我的硕士生爱伯特1978年硕士论文时已发现，只是那时我们不了解平台产生的原因，也没有给出理论解释。我们那时只认为材料中的缺陷严重地影响了霍耳效应。这些结果已经公开发表，大家也都知道，并且大家都能重复。量子霍耳效应的根本发现是这些平台高度是精确地固定的，它们是不以材料、器件的尺寸而转移的，它们只是由基本物理常数h和e来确定的。”当有人问冯·克利青，量子霍耳效应是不是一个偶然的发现？他解释说量子霍耳效应作为一个普遍规律而存在的重大想法是在1980年2月5日凌晨突然闪现出来的，但它是基于长期研究工作之后的一个飞跃。“通过测量大量的不同样品，才第一次可能认识这样一种特殊的规律，而这种平凡重复的测量简直弄得我们感到乏味，我们反复变化样品，变化载流子浓度，将磁场从零扫描到最大……。终于我们发现了这样的特殊规律，所以这一结果的取得是长时间努力工作的结果，这些测量的曲线无时不在我的脑子里盘旋着，反复思考着。”冯·克利青发现量子霍耳效应的确不是偶然的。除了他执着的追求、顽强的探索精神之外，还要归功于他所处的环境。他所在的维尔茨堡大学有着非常良好的学术气氛，对他的研究大力支持，正如他自己所说，“这里既没有研究经费方面的困难，也没有来自行政的干扰，因此我们总是把眼光盯在最高目标上。”与工业界的合作也是他成功的一项重要因素。量子霍耳效应是继1962年发现的约瑟夫森效应之后又一个对基本物理常数有重大意义的固体量子效应。冯·克利青从一开始就意识到这一点。当他确定霍耳平台的阻值是h/e2的分值时，就主动询问联邦技术物理研究所的电气基准部对 h/e2的精确测定有没有兴趣。答复是如果能达到高于10-6的精度就很感兴趣。可是在格勒诺勃精确度仅为1%。于是冯·克利青马上返回维尔茨堡，用那里的超导线圈继续试验，不久就达到了 5×10-6，证明霍耳电阻确实是 h/e2的分值。于是他写了一篇通讯给《物理评论快报》，题为“基于基本常数实现电阻基准”。没有料到，文章被退回，因为该刊编辑认为精确度不够，精确测量欧姆值需要更高的精确度。于是，冯·克利青转向精细结构常数，将论文改写为“基于量子霍耳电阻高精度测定精细结构常数的新方法”，量子霍耳效应第一次公开宣布，得到了强烈反响。1981年，在第二届精密测量与基本常数国际会议上，冯·克利青进一步从理论上论证量子霍耳效应的普遍性，还总结了各种不同类型的硅MOSFET管在强磁场和深低温下测到的霍耳电阻数据，得：h/e2=25812.79±0.04Ω（1.5ppm）并且预言，如果再增大磁场和降低温度，不确定度可小于0.1ppm。在1986年的平差中，霍耳电阻RH取六个最新测量结果的平均值，得RH=25 812.8461（16）ΩBI85（0.062ppm）其中ΩBI85表示国际计量局（BIPM）1985年1月1日标定的欧姆基准值，1ΩBI85=0.999 998 437（50）Ω。由此可得精细结构常数α的倒数为α-1（Ω/ΩBI85）＝137.036 2044（85）或α-1＝137.035 990 2（85），不确定度为 0.062ppm。这样推算出来的α-1值与 1986年平差结果α-1＝137.035 989 5（61）（0.045ppm）精确吻合。量子霍耳效应具有如此之高的精确性和复现性，对于计量工作者的确是一件很值得欢迎的好事。因为如果能够根据量子霍耳效应来定义欧姆，又能够根据约瑟夫森效应来定义伏特，就可以组成一对以基本物理常数为基础的电学基准，使电学单位从实物基准向自然基准过渡。国际计量委员会下属的电学咨询委员会（CCE）在1986年的第17届会议上决定：从1990年1月1日起，以量子霍耳效应所得的霍耳电阻RH＝h/e2来代表欧姆的国家参考标准，并以约瑟夫森效应所得的频率-电压比f/UJ来代表伏特的国家参考标准。1988年CCE第18届会议正式建议将第一阶（I＝1）霍耳平台相应的电阻值定义为冯·克利青常数，以RK表示，并通过了如下决议：“国际计量委员会……考虑到——大多数现有的实验室所拥有的电阻参考标准随着时间有显著变化，——基于量子霍耳效应的实验室电阻参考标准是稳定的和可复现的，——对大多数新近的测量结果作的详尽研究得到的冯·克利青常数值RK，也就是说，量子霍耳效应中的霍耳电势差除以相当于平台i=1的电流所得的值为 25 812.807 Ω，——量子霍耳效应以及上述RK值，可以用来建立电阻的参考标准，相对于欧姆，它以一个标准偏差表示的不确定度估计为2×10-7，而其复现性要好得多，因此建议——精确地取 25 812.807Ω作为冯·克利青常数的约定值，以RK-90表示之，——此值从 1990年1月1日起。而不是在这以前，由所有以量子霍耳效应为电阻测量标准的实验室使用，——从同一日期开始，所有其它实验室都将自己的实验室参考标准调整为与RK-90一致。并主张——在可预见的未来无需改变冯·克利青常数的这个推荐值。”这项决议已得到国际计量委员会的批准，并公布执行。于是，从1990中1月1日起，世界各国有了统一的国家电阻标准。这个新的标准是以量子霍耳效应为基础，容易复现，不会随时间变化。有必要指出，目前只是由量子霍耳效应获取电阻的实用参考基准，而不是对国际单位制中的欧姆给出新的定义。因为欧姆和伏特一样，在国际单位制中都是导出单位，如果另给它们下定义，就必然与安培的定义，μ0的精确值乃至能量、功率等力学量及千克质量基准的规定不相容。尽管如此，目前的决定在基本物理计量史上仍然是继秒和米的新定义后的又一有重大意义的事件。从1990年1月1日起，还有一个重要的电学量给定了新的标准，这就是电压。新的电压标准是建立在约瑟夫森效应的基础上的。约瑟夫森效应也是一种发生在凝聚态中的量子效应，也是高度精确的。约瑟夫森由于发现了这一效应已于1973年获得了诺贝尔物理学奖。K. Von Klitzing，G. Dorda，M. Pepper于1979年发现，霍尔常数（强磁场中，纵向电压和横向电流的比值）是量子化的，RH＝V/I＝h/νe2，ν＝1，2，3，……。这种效应称为整数量子霍尔效应。进而,AT&T的D. Tsui、H. Stormer和A.Gossard发现，随着磁场增强，在v＝1/3,1/5,1/7…等处，霍尔常数出现了新的台阶。这种现象称为分数量子霍尔效应。 R. Laughlin 给出了解释，他认为，由于极少量杂质的出现，整数v个朗道能级被占据，这导致电场与电子密度的比值B/ρ为h/ev，从而导致霍尔常数出现台阶。他还指出，由于在那些分数占有数处，电子形成了一种新的稳定流体，正是这些电子中的排斥作用导致了分数量子霍尔效应。
丁达尔现象一般指丁达尔效应，用于胶体与溶液的鉴别。
丁达尔效应（Tyndall effect），也叫“丁达尔现象”，或者“丁铎尔现象”、“丁泽尔效应”、廷得耳效应 。当一束光线透过胶体，从垂直入射光方向可以观察到胶体里出现的一条光亮的“通路”，丁达尔效应的出现从而也寓意着光可被看见。
摄影界也叫它“耶稣光”，一般出现的时间在清晨、日落时分或者雨后云层较多的时候，大气中有雾气或灰尘。太阳刚好投射在上面，被分割成一条条，有时成一大片，显得特别壮观。
效应介绍
命名始源
英国物理学家约翰·丁达尔（John Tyndall，1820～1893年），1869年首先发现和研究了胶体中的上述现象。这条光亮的“通路”是由于胶体粒子对光线散射形成的。丁达尔效应是区分胶体和溶液的一种常用物理方法。
产生原因
在光的传播过程中，光线照射到粒子时，如果粒子大于入射光波长很多倍，则发生光的反射；如果粒子小于入射光波长，则发生光的散射，这时观察到的是光波环绕微粒而向其四周放射的光，称为散射光或乳光。丁达尔效应就是光的散射现象或称乳光现象。
由于真溶液粒子直径一般不超过1nm，胶体粒子介于溶液中溶质粒子和浊液粒子之间，其直径在1~100nm。小于可见光波长（400nm～700nm），因此，当可见光透过胶体时会产生明显的散射作用。而对于真溶液，虽然分子或离子更小，但因散射光的强度随散射粒子体积的减小而明显减弱，因此，真溶液对光的散射作用很微弱。
此外，散射光的强度还随分散体系中粒子浓度增大而增强。所以说，胶体能有丁达尔现象，而溶液几乎没有，可以采用丁达尔现象来区分胶体和溶液，注意：当有光线通过悬浊液时有时也会出现光路，但是由于悬浊液中的颗粒对光线的阻碍过大，使得产生的光路很短。
实际应用
丁达尔效应是区分胶体与溶液的一种常用物理方法。（还可以用半透膜检测）
1、水对红外线有很强的吸收作用（即对于红外波段来说，水是不透明的），故红外线不能透过水溶液。2、散射是比较微弱的，散射光再次散射就太弱了，所以看不到。
浅谈基于任务驱动的教学媒体理论与实践实验教学研究论文
论文关键词： 任务驱动 实验教学 综合能力
论文摘要： 在“教学媒体理论与实践”课程的教学中，基于任务驱动的实验教学，培养和训练学生对媒体的综合运用能力，有效地提高了学生的学习积极性和主动性。实践证明，基于任务驱动的实验教学对培养学生的综合能力有明显的作用。
媒体理论与实践是教育技术学专业的基础课，理论不是很深奥，按照教学大纲安排，实验内容也不是很复杂，主要是让学生了解和掌握常规媒体设备及媒体的应用。如何在实验教学过程中培养学生的兴趣和对媒体设备及媒体应用的综合能力，是教师应该努力探讨、进行研究的课题。鉴于此目的，我们在教学过程中，采用基于任务驱动的协作学习法，进行了一些研究与实践尝试，取得了明显的效果。
任务驱动教学法
任务驱动是一种建立在建构主义教学理论基础上的教学法。任务驱动教学以学生为中心，以任务为驱动，属于探究式教学模式的一种，其显著表现是：教师的教学与学生的学习围绕着一个目标——完成一至几项任务。学生在强烈的解决问题动机的驱动下，通过对任务的分析、讨论，明确它大体涉及哪些知识，需要解决哪些问题，并找出哪些是旧知识，哪些是新知识，然后在教师的帮助下，通过对资源的积极主动运用，进行自主探索和互动协作学习，在完成既定任务的同时，产生新任务的一种学习实践活动，适合于培养学生的自主学习能力和相对独立分析问题、解决问题能力。
任务驱动教学符合本门课程的层次性和实用性，学生可以由浅入深，由表及里，逐步精益求精地学习各种教学媒体的理论与操作技能。比如，在学习了理论基础以及掌握各种媒体的基本操作方法后，学生可通过将某种媒体运用于某个教学任务中，巩固理论知识，熟悉媒体的教学特性，学会利用各种媒体达到好的教学效果。
设计好实验任务
任务驱动的关健是作好任务设计，主要是在整个教学过程中，教师把学过的知识隐含在任务中，让学生以完成一个具体的任务为目标，在完成任务的过程中掌握、巩固专业知识，同时也培养学生的协作学习能力、创新意识、创新能力以及自主学习的习惯，引导他们学会发现问题，思考问题，寻找解决问题的方法，最终让学生能够自己提出问题，经过思考，自己解决问题，提高他们对知识的应用能力。教师的角色从教学的主体变为教学的组织者、引导者，学生则成为整个教学过程中的主体。
我们将教学媒体理论与实践的实验过程划分为三个阶段，第一个阶段是对常规教学媒体的了解熟悉阶段，18学时左右，主要是对常规教学媒体设备，如幻灯机、投影机、照相机、实物投影仪、电影放映机、电视机、多媒体计算机以及对各种媒体，如文字、图片、音频、视频等属性的基本了解；第二阶段以小组为单位布置任务，时间一周，每个小组5～8人，针对一种媒体设备作一个演示教学片(包含多种媒体的应用)，对它的历史、种类、功能、适用范围、技术参数及教学特性作详细的讲解；第三个阶段是评价与反馈，8学时，以小组为单位演示教学片，交流收获和问题，教师和其他学生参与评价，并提出改进意见。
实验任务的实施
任务实施是任务设计的落实阶段。在任务的实施阶段，要有足够的时间让学生来分析任务，探索出解决问题的方法，小组成员齐心协力，查找各种资料，探讨各种方案的特点和优点，选择最佳方案，然后每个小组成员承担具体的任务。对于学生觉得有困难的环节，教师要及时引导、提示、讲解，提供必要的设备和技术支持。以“调音台的使用”任务为例，首先设计任务：使一个非专业人员通过观看演示片，了解调音台的原理、功能和操作。设计要求：用文字、图片、音频、视频来说明它的原理和操作过程。其次，任务应包括本课程知识点和技能的教学应用，能够让学生在设计过程中学以致用，充分调动学生的主动性和积极性。在本次任务中，介绍了调音台的种类、原理、使用方法。学生通过查阅网络收集各种类型调音台的图片，了解他们的技术参数，由于网上没有调音台的视频教学资料，他们利用摄像机拍摄了调音台的操作过程，从每一个接线头开始介绍，并配上文字和讲解。这一任务过程充分调动了学生参与的`兴趣和动手的积极性，在制作的过程中，他们不仅对调音台熟练掌握，对摄像机及录音设备的操作同样熟练掌握，并且也掌握了调音台的教学运用方法。
实验任务评价反馈
教育评价的目的在于实现教育目标，根据评价结果，教师可以知道目前的教学情况离目标有多远，是否需要修正目标或改变教学策略，是否需要改换教材或教法等。同时，教育评价具有促进学生学习的功能，明确所要学习的内容，提供短期的学习目标，特别是学习的反馈信息能激励学生学习的动机，让学生了解自己在学习上的优缺点，有哪些错误需要更正以及有哪些技能已达到熟练程度等，促进学生自我了解、自我认可，帮助学生做出最佳的方案和成果来。因此，实验任务的评价反馈是任务驱动教学过程中的一个重要环节。在此阶段，学生通过展示自己的设计成果，将在设计过程中遇到的难点、重点问题进行解释，阐述自己的设计方案。教师组织学生相互评价，探讨该设计方案的合理性，通过相互探讨，互相学习，取长补短，激发学生的学习热情，促进学生对知识的掌握和迁移。
总结
在教学媒体理论与实践的实验课程教学中，基于任务驱动的实验教学，有效地培养和训练了学生的综合能力。
1.提高了学生学习的兴趣和主动性。由于采用基于任务驱动的实验教学，不拘泥于形式，在规定的时内利用多种媒体对某一媒体设备进行详细的介绍，格式不限，从设计到制作充分发挥学生的想象力和创造力，学生的学习兴趣和主动性明显增加。因为时问有限，所以学生天天加班加点地查阅资料、修改方案、准备素材、制作作品，仍然乐此不疲。
2.扩大了学生视野，增加了新知识。学生通过查阅资料，了解了许多教材中没有涉及的知识和新产品，对自己所要介绍的媒体设备从历史到现时的发展有了一个全面系统的了解，并从中了解专业学科发展的一些新动态。
3.提升了学生的综合能力。学生通过完成任务，掌握了各种媒体的属性、适用范围及对媒体设备的安装、调试和在教学中的正确使用。采用小组形式，而且每一任务都有两个小组分别完成，小组之间有竞争，这就要求小组成员齐心协力，作好分工合作才能更好地完成任务，提高了学生合作协作能力。从方案的制订到实施，促使学生自觉、主动上网或去文献室查阅文献，带着问题进行学习，提高了学生检索信息和撰写计划方案的能力。在制作的过程中要应用多种媒体和多种设备，提高了学生综合运用多种媒体和处理问题的能力。
4.对本课程的实验，85%的学生持肯定和支持态度。认为对培养学习的自主性和创造力有帮助，也有助于培养分析问题、解决问题以及灵活自主地运用所学专业知识的能力，加强了对知识的综合运用能力。另一方面，有部分学生认为此教学方式纵容了极少数懒散的学生“搭顺风车”。这就要求教师在整个教学过程中及时给予指导和反馈，给极少数平时懒散的学生更多关注或指定部分任务，充分挖掘所有学生的潜力，激发学生的积极性和增强他们的信心。
参考文献：
[1]刘光蓉，周红，基于任务驱动的计算机文化基础实验教学[j].中国电化教育，2004(8).
[2]苏兴洲，浅谈“任务驱动”教学法在中学信息技术教学中的应用[j].中国教育信息化，2010(10).
实验实训基地开放式实验教学模式的实践与研究论文
论文摘要： 高等教育的根本任务是培养有较强实际动手能力和职业能力的技能型人才，而实际训练是培养这种能力的关键环节。但是，目前很多高等院校的实训条件还不能满足人才培养目标的要求。即使有了很大的改观，也还是保留以往的教学模式，不能充分发挥实验实训的作用，因此，开放式实验实训教学模式改革势在必行。
论文关键词： 实验实训；实验实训基地；实践教学；教学改革；开放式教学模式
高等教育的根本任务是以培养适应市场经营与服务第一线需要的、德智体美全面发展的技术型和高级技能型实用人才。随着科学技术的不断发展，许多高新技术大量应用于各行各业的生产企业，实用型技术人才应从传统的“学习型”转为“开发型”，让学生从反复实习实训走向心智开发，培养学生的职业适应能力、职业转换能力和创业能力。因此实验实训环节是提高各专业学生职业技能的重要基地，如何利用好实验实训设备对于培养学生的实验技能至关重要。
目前随着招生规模的不断扩大，实验实训设备的数量不足以满足学生的实际需求，以至于出现了上课高峰时实验设备不够用，而低峰时设备又没有人用的现象，使现有设备、仪器的综合利用率较低，为了及时解决这一长久困扰实验教学的问题，充分提高实验实训设备的使用效率，使学生自主选择实验内容和时间，从而激发学生动手实验的兴趣，提高学生思考问题、分析问题、解决问题的能力，并缓解由于招生规模的不断扩大对实验室造成的资源需求压力，我们针对这一现状探索一种崭新的开放式实验教育教学模式，这种模式的实行对于培养学生的实践动手能力和创新能力有着非常重要的意义。
一、目前现状
多年来，实验实训教学一直处于先讲解后演示的状态，实验实训教学的办学理念还转变得不够彻底，主要体现在以下几个方面。
（1）长期以来实验教学一直被习惯地认为是对理论教学的辅助，没有真正把实践教学提到应有的位置。高等教育的人才培养目标是让学生掌握职业技能和创新能力，在掌握一定的理论基础上，通过实践培训掌握独立操作和开发产品的技能是最终的培养目标。因此，我们最终要打破长期以来受传统教学体制和专业化教学思想的束缚，改变在整个教学的实施中存在的如下问题：理论教学和实验教学内容脱节，衔接不够；实验没有统一的设计和安排，只是根据理论课时多少，教员闲忙而定，没有达到实验教学应有的效果。
（2）实验实训的教师队伍不健全。长期以来由于受传统的教育模式的影响，实践教学一直处于辅助的地位，对实验教师的培养缺乏长期规划，实验室的教师得不到应有的重视和及时调整与补充，致使年轻的教师都不愿意到实验室工作，现有的教师也存在不安心专研新技术的现象，造成实验教学与生产实践过程中应用的新技术相脱离，学生学不到先进的科学技术，毕业后造成大多数学生就业困难，缺乏实践技能，这一现象违背了高等教育培养人才的目标。
（3）管理体制存在的弊端也日益困扰和制约实验实训教学体制的建设和发展。不利于实验实训教学内容的改革和实验实训教学水平的提高，不利于经费的合理使用及设备的合理购置，不利于实验人才的引进和实验实训技术水平的提高，特别是高水平的技术人才不能引进到实验室来，这些不利因素势必造成对实验设备的开发利用、实验技术水平的提高、高技术含量实验项目的研究设立、实验室建设的上台阶的巨大影响。
二、实验实训基地开放式教学模式研究
我们通过分析现有的实验实训的教学模式，可以看到存在着许多不利于高等教育发展的因素，因此我们试图探索一条崭新的开放式实验实训教育教学模式来改变这种状况，提高学生的就业能力和职业技能水平。
建立开放式实验实训的教育模式是各专业的要求，毕业不等于就业，但脱离就业需求的高等教育，是没有生命力的。建立开放式实验实训的教育模式是教育教学效果的要求，传统的实验实训教学采用的是以灌输知识为主的千篇一律的实验内容的培养模式，实验实训教学一直处于“教辅”地位，实验内容也依附于理论教学，且大都以验证性实验为主，学生主要通过教师的.演示，结合理论知识理解教材，没有创新式实验实训教学，同时实验方法、实验步骤甚至实验过程都由教师“操作”，实验成了“走过场”。学生对实验内容和实验仪器设备不是很了解，根本达不到教学要求。建立开放式电工电子实验室可以培养学生的动手能力和创新能力，为学生提供一个个性化的发展空间，这也是我们实验实训建设和改革的目标。
三、建立开放式实验实训的教育模式的改革的具体措施
以学生为中心的开放式实验实训教学模式是以自主式、合作式、研究式为主的教学方式。在实验实训内容上合理设置必做实验和选做实验、验证性实验、综合性实验和设计性实验的比例。实验教学正由部分开放式逐步转化为全面开放式。
1.独立设课、单独考核
传统的实验实训课程都是根据理论课的教学进度和内容进行安排，完全依附于理论课。一般是根据教学进度安排做哪个实验，做完一个再做第二个，而且完全由教师安排实验内容，最后学生对前面所做的实验内容几乎忘得一干二净。所以，学生对做实验普遍不重视、兴趣不大，认为做实验就是走过场，没有真正调动学生对动手实验的积极性。为了提高学生的操作能力和分析问题的能力，改变“重理论、轻实践”的思想，将实验实训课改成独立设课，自成体系，集中训练，并且单独考核。这样就提高了实验教学的地位，保证了教学时数，增强了实验的系统性，同时有利于各教学班实验课的合理安排和统一管理，有利于对学生进行考核，激发学生的学习热情，使实验教学与理论教学成为相互联系、相互融合的两个独立教学环节。实验课独立设课后，应建立相应的考核机制，改变学生成绩评定办法。
2.推行开放式教学模式
采取完全开放式实验教学模式就是开放实验场地、实验仪器设备和实验内容，除了完成教师安排的实验内容外，由学生独立自主进行实验。这种模式是目前公认的一种行之有效的培养学生思维能力、实践能力和创新能力的教学模式，是实验实训教学改革的一个方向。
传统的实验教学模式是教师把实验内容和一切实验设备准备好，学生照着实验步骤按部就班地来做，学生缺乏自主性和独立性。长此以往，学生的内在潜能得不到发挥和发展，极大地限制了学生素质的提高。开放式实验模式是一项全新的实验教学工作，应先试点，后推广。不断探索有限开放式实验教学的经验和规律，逐步向完全开放式实验教学过渡，以达到充分利用实验实训教学资源和提高实验教学质量的目的。
3.实验实训应和学生职业技能考证相结合
把“以就业为导向，以能力为本位”作为教学的总目标，在教学实践中始终将“培养学生掌握各类职业技能”贯穿于教学各个环节之中。根据国家工业和信息化部以及人力资源和社会保障部制定的各行业工种职业技能标准对学生进行各种职业技能训练，实行“多证书”培养。
为了实现上述目标，应把有关职业资格证书的课程纳入教学计划，教师在教学计划之内对学生进行职业技能培训，学生在毕业前拿到相关专业的职业技能证书后为学生就业赢得了广阔的空间，同时也是用人单位对人才的要求。
实训基地在开放式综合实验模块的改革和创新的实施过程中，我们已经取得一些成效。通过参与开放式综合实验，学生在巩固所学的理论知识的同时，还很好地锻炼了自己的知识综合应用能力和创新研究能力，不少毕业生因此在应聘时占尽先机。如今，这种模式得到了学生们的积极响应和广泛好评。此外，开放式实验增加了实验室的开放时间，提高了实验设备的利用率，这对于那些昂贵的实验设备来讲具有重要意义。由于是自主选题，学生可完全根据自己的爱好和个人规划选择所参与的项目，在理论研究上或是在工程技术上有优势和兴趣的学生都得以最大程度展现自己的才华。我们在对这些学生进行辅导的同时，选拔出在某些方面表现突出的学生参与到相应的更高层次的实践活动中去，从而进一步挖掘其潜力，使其得到更加充分的锻炼。