液晶的电光特性
液晶的光电特性
液晶分子的结构具有异方性(Anisotropic)，所以所引起的光电效应就会因为方向不同而有所差异，简单的说也就是液晶分子在介电系数及折射系数等等光电特性都具有异方性，因而我们可以利用这些性质来改变入射光的强度，以便形成灰阶，来应用于显示器组件上。
液晶的光电特性，大约有以下几项：1.折射系数(refractive index) ：由于液晶分子大多由棒状或是碟状分子所形成，因此跟分子长轴平行或垂直方向上的物理特性会有一些差异，所以液晶分子也被称做是异方性晶体。
与介电系数一样，折射系数也依照跟指向矢垂直与平行的方向，分成两个方向的向量，分别为n // 与n⊥。
此外对单光轴(uniaxial)的晶体来说，原本就有两个不同折射系数的定义。
一个为no，它是指对于寻常光(ordinary ray)的折射系数，所以才简写成no。
而寻常光(ordinary ray)是指其光波的电场分量是垂直于光轴的。
另一个则是ne，它是指对于非常光(extraordinar y ray)的折射系数，而非常光(extraordinary ray)是指其光波的电场分量是平行于光轴的。
同时也定义了双折射率(birefrigence) n = ne-no为上述的两个折射率的差值。
依照上面所述，对层状液晶、线状液晶及胆固醇液晶而言，由于其液晶分子的长的像棒状，所以其指向矢的方向与分子长轴平行。
再参照单光轴晶体的折射系数定义，它会有两个折射率，分别为垂直于液晶长轴方向n⊥(=ne)及平行液晶长轴方向n //(= no)两种，所以当光入射液晶时，便会受到两个折射率的影响，造成在垂直液晶长轴与平行液晶长轴方向上的光速会有所不同。
若光的行进方向与分子长轴平行时的速度，小于垂直于分子长轴方向的速度时，这意味着平行分子长轴方向的折射率大于垂直方向的折射率（因为折射率与光速成反比），也就是ne-no > 0。
所以双折射率 n > 0 ，我们把它称做是光学正型的液晶，而层状液晶与线状液晶几乎都是属于光学正型的液晶。
液晶的电光特性实验报告
一、实验目的1. 了解液晶的基本性质及其电光特性。
2. 掌握液晶电光特性实验的基本原理和操作方法。
3. 通过实验验证液晶电光特性，分析实验数据，得出结论。
二、实验原理液晶是一种介于液态和固态之间的特殊物质，具有液体的流动性和晶体的各向异性。
液晶的光学性质与其分子排列方式密切相关。
当液晶受到电场作用时，其分子排列方向发生变化，导致液晶的光学性质发生改变，即产生电光效应。
本实验通过观察液晶在电场作用下的透光性变化，研究液晶的电光特性。
实验过程中，利用偏振片和检偏器观察液晶的透光情况，分析液晶在不同电压下的电光特性。
三、实验仪器与材料1. 液晶盒2. 偏振片3. 检偏器4. 电源5. 万用表6. 激光笔7. 光具座8. 电脑及数据采集软件四、实验步骤1. 将液晶盒放置在光具座上，确保其稳定。
2. 将偏振片和检偏器分别安装在液晶盒的两侧，调整偏振片与检偏器的相对位置，使光路畅通。
3. 使用万用表测量电源电压，确保电压稳定。
4. 打开电源，调整电压，观察液晶盒的透光情况。
5. 在不同电压下，记录液晶盒的透光情况，分析其电光特性。
6. 使用激光笔照射液晶盒，观察光路变化，进一步验证液晶的电光特性。
五、实验数据与分析1. 实验数据电压/V 透光情况0 不透光0.5 透光性较差1.0 透光性一般1.5 透光性较好2.0 透光性极好2. 数据分析从实验数据可以看出，随着电压的增加，液晶盒的透光性逐渐增强。
当电压达到2.0V时，液晶盒的透光性达到极好。
这说明液晶在电场作用下，其分子排列方向发生变化，导致液晶的光学性质发生改变，从而产生电光效应。
六、实验结论1. 液晶具有电光特性，当受到电场作用时，其分子排列方向发生变化，导致液晶的光学性质发生改变。
2. 液晶的电光特性与电压密切相关，电压越高，液晶的透光性越强。
3. 本实验验证了液晶电光特性实验的基本原理和操作方法，为后续液晶显示技术研究奠定了基础。
七、实验总结本次实验通过观察液晶在电场作用下的透光性变化，研究了液晶的电光特性。
液晶电光特性
液晶电光特性
陈梓安
液晶的不同种类
·由长径比很大的棒状 分子组成 ·分子质心长程无序 ·分子长轴互相平行
发生弹性形变
TN-LCD显示原理
利用光波 导效应
表征实验光路图
液晶盒夹在液晶板中 间，液晶板为液晶盒 施加电压
出射光的偏振方向
偏振片 -60 -45 -30 -15
0
15 30 45 60
夹角(度)
向（加5 伏电压）
可以验证液晶的光波导特性
液晶开关特性
相对透过率（%）
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
电压（V）
阈值电压：2.62V 关断电压：4.10V
液晶的响应特性
上升时间：239.8ms
下降时间：50.2ms
总结与反思
无取向 100 100 99.9 98.1 97.2 97.0 96.8 97.2 97.6
平行取 15.0 35.4 60.7 82.9 97.3 99.3 89.1 67.7 43.0
向
垂直取 92.5 71.3 47.3 24.1 8.4 4.3 12.9 32.6 57.0
向
垂直取 27.4 49.6 71.7 88.1 94.9 89.9 74.7 62.9 31.0
7、液晶电特性测试
论计算结果。图 4-3 中，有与原点的距离表示垂直视角（入
射方向与液晶屏法线方向的夹角）的大小，图 4-3 中同心
圆分别表示垂直视角 30，60，90 度。90 度同心圆外面标
注的数字表示水平视角（入射光线在液晶屏上的投影与 0
度方向之间的夹角）的大小。图 4-3 中的闭合曲线为不同
对比度时的等对比度曲线。由图 4-3 可以看出，对比度与 垂直和水平视角都有关。我们在不同的方向上看液晶屏幕
侧面图 激光电源
总电源
编程口
激励波输出 光透过率输出
背面图
驱动波形输出
行 列
正面：
激
列
光 驱动波形输出 器
行
电
1
源
激光器
7
16 x 16的液 晶光开关单 元构成的显
8 激光探测器
总
示器
电
源
动态/清屏
编 程 口
A
B
c
静态/闪烁
供电电压 10
光
总电源开关
C
透 过
模式转换开关
矩阵开关
率
N
输
O
12 11
透过率
度的改变有一定的关系。由图 4-2 为光线垂直入射本实验所用液晶屏时的相对透射率（以不
加电场时的透过率为 100﹪）与外加电压的关系。
由图 4-2 可知对于常白模式的液晶，其透射率随外
透射率T（％）
100
加电压的升高而逐渐降低。在一定的电压下达到 80
最低点，此后略有变化。
60
出现该极点的原因，简单的说，可以认为表征液 40 晶光学各向异性的透射率椭圆的光轴方向正好与 20
2）关断电源。
4、液晶显示器，点阵显示原理
液晶的电光特性实验
液晶的电光特性实验班级：应用物理1101 实验项目名称：液晶的电光特性一、实验目的1.扭曲角的测量； 2.对比度的测量； 3.上升沿时间1T 与下降沿时间2T 的测量； 4.通过测量衍射角，推算出特定条件下液晶的结构尺寸； 5.观察、测量衍射斑的偏振状态。
二、实验原理1．液晶光开关的工作原理液晶的种类很多，仅以常用的TN （扭曲向列）型液晶为例，说明其工作原理。
TN 型光开关的结构如图1所示。
在两块玻璃板之间夹有正性向列相液晶，液晶分子的形状如同火柴一样，为棍状。
棍的长度在十几埃（1埃 ＝ 10-10米 ），直径为4～6埃，液晶层厚度一般为5-8微米。
玻璃板的内表面涂有透明电极，电极的表面预先作了定向处理（可用软绒布朝一个方向摩擦，也可在电极表面涂取向剂），这样，液晶分子在透明电极表面就会躺倒在摩擦所形成的微沟槽里；电极表面的液晶分子按一定方向排列，且上下电极上的定向方向相互垂直。
上下电极之间的那些液晶分子因范德瓦尔斯力的作用，趋向于平行排列。
然而由于上下电极上液晶的定向方向相互垂直，所以从俯视方向看，液晶分子的排列从上电极的沿－45度方向排列逐步地、均匀地扭曲到下电极的沿＋45度方向排列，整个扭曲了90度。
如图1左图所示。
理论和实验都证明，上述均匀扭曲排列起来的结构具有光波导的性质，即偏振光从上电极表面透过扭曲排列起来的液晶传播到下电极表面时，偏振方向会旋转90度。
取两张偏振片贴在玻璃的两面，P1的透光轴与上电极的定向方向相同，P2的透光轴与下电极的定向方向相同，于是P1和P2的透光轴相互正交。
入射的自然光偏振片P1偏振片P2出射光扭曲排列的液晶分子具有光波导效应 光波导已被电场拉伸图1. 液晶光开关的工作原理在未加驱动电压的情况下，来自光源的自然光经过偏振片P1后只剩下平行于透光轴的线偏振光，该线偏振光到达输出面时，其偏振面旋转了90°。
这时光的偏振面与P2的透光轴平行，因而有光通过。
液晶显示器件中的光学特性研究
液晶显示器件中的光学特性研究液晶显示器件可以说是现代生活中不可或缺的一部分，无论是手机、电视、电脑等各种显示设备都广泛采用了液晶显示技术。
而液晶显示器件的优良光学特性正是其能够被广泛应用的重要原因之一。
液晶显示器件中的光学特性主要是指液晶分子在电场作用下的取向改变所带来的光学效应。
液晶分子是含有两个不对称端的分子，具有长轴和短轴之分。
液晶分子的取向状态对于其光学特性起着至关重要的作用。
在有电场作用下，液晶分子会沿着电场方向对齐，这种取向状态称为同向取向。
而在没有电场作用下，液晶分子则会随机取向。
在同向取向的状态下，液晶分子可以调整光的传播方向和偏振状态，这就是液晶显示器件中的偏振器。
偏振器可以将具有随机偏振状态的自然光变为具有特定偏振状态的偏振光，偏振光在通过液晶层的时候，由于液晶分子的取向，导致光的传播方向被改变。
这样便可以根据不同的电场控制液晶分子的取向，从而调整液晶层中的偏振状态，实现图像的显示。
除了偏振器的作用外，液晶分子的取向还会影响液晶显示器件的光强度变化。
这是由于液晶分子的取向会对不同偏振状态的光的传播速度产生不同的影响，导致出现光束的相位差，从而引起光的干涉现象。
这一干涉现象也是液晶显示器件中的薄膜横向干涉现象。
薄膜横向干涉现象是由于液晶分子的取向在薄液晶层内是存在梯度的。
当光从一个高折射系数区域进入低折射系数区域时，会发生反射和折射，并产生相位差。
液晶分子的取向甚至可以精确控制产生相位差的大小和方向，这使得液晶显示器件中的图像达到更加准确的显示效果。
此外，液晶显示器件中光的折射率也是影响其光学特性的重要因素之一。
液晶分子在不同的荧光基团所处的位置上，由于分子内部振动状态的影响而表现出不同的电光特性。
这种电光特性的不同便导致不同区域的液晶层具有不同的折射率。
这使得来自不同区域的光在液晶层内的反射、折射、散射等过程中会出现不同的反应，从而影响液晶显示器件中图像的清晰程度和色彩还原能力。
液晶电光特性实验报告
液晶电光特性实验报告实验目的：1. 了解液晶的电光特性。
2. 掌握测量液晶电光特性所需的仪器和方法。
3. 分析和讨论液晶电光实验结果。
实验装置和仪器：1. 直流电源2. 电阻箱3. 聚光灯4. 液晶显示器5. 光学转台6. 光源7. 电压计8. 万用表实验步骤：1. 前期准备①将聚光灯和光源放在所需位置。
②将空气过滤器连接在气源后，并按操作说明连接系统。
③将直流电源和电阻箱接通。
2. 实验操作①将直流电压逐级加大，同时在液晶显示屏上记录光强。
②记下每个电压值的亮度和电压值的变化。
③进行多次实验并取平均值。
实验结果：实验结果表明，随着直流电压的逐步加大，液晶显示屏的亮度也随之增大。
当直流电压达到一定值时，液晶显示屏会出现亮度饱和现象。
另外，实验还发现，液晶显示屏的亮度变化与电压呈线性关系，即：亮度和电压成正比例关系。
实验结论：本次实验根据所得数据得到了液晶显示屏的电光特性规律，并得到以下结论：1. 液晶显示屏亮度与电压成正比例关系。
随测量电压的增大，液晶显示屏亮度递增。
2. 在一定范围内，亮度和电压呈线性关系。
3. 当电压达到临界值时，液晶显示屏会出现亮度饱和现象。
实验不足：本实验中，仪器的精度存在一定问题。
同时，仪器的使用方法和操作细节也需要加强。
总之，本次液晶电光特性实验为我们认识液晶电光特性提供了一定的帮助。
在实验过程中发现的不足以及存在的问题需要研究人员进一步改进和完善。
液晶电光特性及应用
液晶电光特性及应用液晶电光特性及应用液晶电光特性是指液晶在电场作用下的光学行为。
液晶的电光特性与其分子取向和分子结构有关。
液晶分子具有长的有机分子，它们通常由多个环状或直链结构组成。
液晶分子的长链结构，使它们可以被定向排列，形成特定的有序结构。
液晶分子的取向状态决定了液晶的光学特性。
如果液晶分子是正放置的，则它们对光的偏振状态具有选择性吸收性，这称为吸收性光学。
如果液晶分子是被定向的，则它们对偏振光的折射率是具有选择性的，此时就称为双折射光学。
双折射现象是液晶电光特性最为常见的现象。
当有电场存在时，液晶分子会向电场的方向旋转，因此使电场方向偏振的光线通过液晶中的双折射现象被分解成两种互相垂直和偏振的光线，它们在液晶中的速度和折射率不同并呈现不同的颜色。
这两个光线将在液晶后面通过旋转器合成一条线性偏振光，只有在电场作用下液晶分子的排列状况才以可控的方式改变。
液晶电光特性应用广泛。
其中最为常见的是液晶显示器。
液晶显示器是一种利用液晶电光特性制成的显示设备。
这种显示器能够有效地将输入的电脉冲信号转换成图像，并且该图像的质量更加清晰、亮度更加均匀。
它被广泛应用在电子设备领域，如手机、平板电脑、电视等。
液晶显示器由液晶电光晶体及其控制电路构成，控制电路会改变晶体的各项物理量，如电场、温度、压力等，从而达到对显示器的控制。
液晶电光特性还可以用于制造光调制器。
光调制器是一个电光传输设备，它能够通过电场变化控制入射光信号的光强和相位，从而实现信息传输。
这种设备广泛应用于通信领域，如光纤通信、激光雷达等。
液晶电光特性还可以被应用到液晶色浆中来调节其色差和响应速度，使其成为一种很好的电光材料。
综上所述，液晶电光特性具有非常重要的光学意义，并且被广泛应用于各种领域。
液晶显示器和光调制器是液晶电光应用中最典型和重要的例子。
未来，液晶电光技术将继续发展，并且进一步提高其应用的效率和可靠性。
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液晶的电光特性
液晶是一种即具有液体的流动性又具有类似于晶体的各向异性的特殊物质（材料），它是在1888年内奥地利植物学家首先发现的。
在我们的日常生活中，适当浓度的肥皂水溶液就是一种液晶。
目前人们发现、合成的液晶材料已近十万种之多，有使用价值的也有4-5千种。
随着液晶在平板显示器等领域的应用和不断发展，以及市场的巨大需求。
人们对它的研究也进入了一个空前的状态。
本实验希望通过一些基本的观察和研究，对液晶材料的光学性质及物理结构有一个基本了解。
并利用现有的物理知识进入初步的分析和解释。
大多数液晶材料都是由有机化合物构成的。
这些有机化合物分子多为细长的棒状结构，长度为数nm，粗细约为0.1nm量级，并按一定规律排列。
根据排列的方式不同，液
晶一般被分为三大类1）近晶相液晶，结构大致如图1，
图1 图2 图3
这种液晶的结构特点是：分子分层排列，每一层内的分子长轴相互平衡。
且垂直或倾斜于层面。
2、向列相液晶，结构如图2。
这种液晶的结构特点是：分子的位置比较杂乱，不再分层排列。
但各分子的长轴方向仍大致相同,光学性质上有点像单轴晶体。
3、胆甾相液晶，结构大致如图3。
分子也是分屏排列，每一层内的分子长轴方向基本相同。
并平行于分层面,但相邻的两个层中分子长轴的方向逐渐转过一个角度,总体来看分子长轴方向呈现一种螺旋结构。
以上的液晶特点大多是在自然条件下的状态特征，当我们对这些液晶施加外界影响时，他们的状态将会发生改变，从而表现出不同的物理光学特性。
下面我们以最常用的向列液晶为例，分析了解它在外界人为作用下的一些特性和特
点。
我们在使用液晶的时候往往会将液晶材料夹在两个玻璃基片之间，并对四周进行密
封。
为了我们的使用目的，将会对基片的内表面进行适当的处理，以便影响液晶分子的排列。
这里介绍相关的三个处理步骤。
1、涂覆取向膜，在基片表面形成一种膜。
2、摩擦取向，用棉花或绒布按一个方向摩擦取向膜。
3、涂覆接触剂。
经过这三个步骤后，就可以控制紧靠基片的液晶分子，使其平行于基片并按摩擦方向排列。
如果我们使上下两个基片的取向成一定角度，则两个基片间的液晶分子就会形成许多层。
如图4的情况(取向成90度)。
即每一层内的分子取向基本一致，且平行于层面。
相邻层分子的取向逐渐转动一个角度。
从而形成一种被称为扭曲向列的排列方式。
这种排列方式和天然胆甾相液晶的主要区别是：扭曲向列的扭曲角是人为可控的，且“螺距”与两个基片的间距和扭曲角有关。
而天然胆甾相液晶的螺距一般不足1um，不能人为控制。
扭曲向列排列的液晶对入射光会有一个重要的作用，他会使入射的线偏振光的偏振方向顺着分子的扭曲方向旋转，类似于物质的旋光效应。
在一般条件下旋转的角度(扭曲角)等于两基片之间的取向夹角。
由于液晶分子的结构特性,其极化率和电导率等都具有各向异性的特点，当大量液晶分子有规律的排列时,其总体的电学和光学特性,如介电常数、折射率也将呈现出各向异性的特点。
如果我们对液晶物质施加电场，就可能改变分子排列的规律。
从而使液晶材料的光学特性发生改变，1963年有人发现了这种现象。
这就是液晶的的电光效应。
为了对液晶施加电场，我们在两个玻璃基片的内侧镀了一层透明电极。
我们将这个由基片电极、取向膜、液晶和密封结构组成的结构叫做液晶合。
当我们在液晶合的两个电极之间加上一个适当的电压时我们来看一下液晶分子会发生什么变化。
根据液晶分子的结构特点。
我们假定液晶分子没有固定的电极。
但可被外电场极化形成一种感生电极矩。
这个感生电极矩也会有一个自己的方向，当这个方向以外电场的方向不同时，外电场就会使液晶分子发生转动，直到各种互相作用力达到平衡。
液晶分子在外电场作用下的变化，也将引起液晶合中液晶分子的总体排列规律发生变化。
当外电场足够强时，两电极之间的液晶分子将会变成如图5中的排列形式。
图4 图5
这时，液晶分子对偏振光的旋光作用将会减弱或消失。
通过检偏器，我们可以清晰地观察到偏振态的变化。
大多数液晶器件都是这样工作的。
以上的分析只是对液晶合在“开关”两种极端状态下的情况作了一些初步的分析。
而对于这两个状态之间的中间状态。
我们还没有一个清晰的认识，其实在这个中间状态，有着极其丰富多彩的光学现象。
在实验中我们将会一一观察和分析。
液晶对变化的外界电场的响应速度是液晶产品的一个十分重要的参数。
一般来说液晶的响应速度是比较低的。
我们用上升沿时间和下降沿时间来衡液晶对外界驱动信号的响应速度情况。
定义如下
驱动信号
90% T1 T2
10%
响应
主机箱面板功能：
主机箱“液晶驱动电源”主要功能为液晶合的工作电压、间歇频率、驱动频率的调节，以及液晶合的工作状态等。
各面板元器件作用与功能如下：
液晶实验主机前面板
1、表头：3位半数字表头，用于指示液晶合工作电压的大小，可通过驱动电压旋钮进行调
节。
2、间歇/连续按钮：液晶合的工作状态，开或关。
3、间歇频率旋钮：
4、驱动频率旋钮：
5、驱动电压旋钮：液晶盒工作电压旋钮，调整范围（2—12V）。
液晶实验主机后面板
1、电源开关按钮，主机的电源开关（220VAC）。
2、示波器插座：通过导线与示波器1通道相连。
3、液晶合插座：与液晶合相连。
4、“+”插座：通过红色导线与光电二极管探头相连。
5、“—”插座：通过黑色导线与光电二极管探头相连。
6、电源插座：通过220V电源线与接线板相连。
一、实验内容与目的：
1.扭曲角的测量。
2.对比度c=Tmin/Tmax的测量。
动态范围DR=10logc(dB)。
3.上升沿时间T1 与下降沿时间T2的测量。
4.通过测量衍射角推算出特定条件下，液晶的结构尺寸。
5.观察测量衍射斑的偏振状态。
二、设备成套性：
1．800mm光学实验导轨1根2．二维可调半导体激光1台3．偏振片2套4．液晶合 1 套5．液晶驱动电源1台6．光功率指示计1台7．白屏1个8．光电二极管探头1个9．导轨滑块 5 个10．钢板尺1个
三、实验步骤：
一：液晶扭曲角的测量
1）按照激光器、偏振片（起偏器）、液晶合、偏振片（检偏器）、功率计探头的顺序，在导轨摆好光路。
连接各种设备之间的导线。
半导体激光器起偏器
检偏器功率计探头
液晶合
导轨滑块
光学实验导轨
2）
光学元件的中心穿过，进入功率计探头。
3）旋转起偏器，使通过起偏器的激光最强。
4）打开液晶驱动电源，将功能按键置于连续状态。
驱动电压调整到12V。
5）旋转检偏器和液晶盒，找到系统输出功率最小的位置，记下此时检偏器的位置（角度）。
6）关闭液晶驱动电源，此时系统通光情况将发生变化，再次调整检偏器位置，找到系统通光功率最小的位置，记下此时检偏器的位置（角度）。
7）步骤5与6之间的角度位置差，就是该液晶合在该波长下的扭曲角。
二：对比度
1）重复上一实验的1、2、3、4步，记下最小功率值。
为Tmin。
2）关闭液晶驱动电源，记下此时的系统输出功率。
为Tmax。
3）对比度C=Tmin/Tmax，动态范围DR=10logc(dB)。
三：上升沿时间T1 与下降沿时间T2的测量。
1）重复实验一的1、2、3、4步。
2）旋转检偏器和液晶合，找到系统输出功率较小的位置。
3）用光探头换下功率计探头，连接好12V电源线（红为+，黑为-，红对红，黑对黑）。
4）将示波器的CH1通道用信号线与液晶驱动信号相连，CH1做触发。
CH2通道上的示波器表笔与光电二极管探头相连（地线与12V的地相连，挂钩挂在
探头线路扳的挂环上）。
5）打开示波器电源，功能置于双综显示，CH1触发。
6）观察示波器上的CH1通道波形。
了解液晶驱动电源的工作条件。
7）将功能按键置于间歇状态，调整间歇频率旋钮，观察系统输出光的变化情况，和示波器上波形的情况，体会液晶电源的工作原理。
8）根据定义，在示波器上测量上升沿时间和下降沿时间。
估计液晶的响应速度。
四：通过测量衍射角推算出特定条件下，液晶的结构尺寸
1) 取下实验一中的检偏器和功率计探头。
2) 打开液晶驱动电源，将功能按键置于连续，将驱动电压置于6V左右，等待
几分钟，用白屏观察液晶合后光斑的变化情况。
应可观察到类似光栅衍射的
现象。
3) 仔细调整驱动电压和液晶合角度，使衍射效果最佳。
4) 用尺子量出衍射角，用光栅公式求出这个液晶“光栅”的光栅常数。
五：观察测量衍射斑的偏振状态。
1）重复实验4的1、2、3步。
2）紧靠液晶合放置检偏器。
3）用白屏观察检偏器后衍射斑。
旋转检偏器，观察各衍射斑的变化情况，指出其变化规律。