发光二极管在初中物理实验教学中的创新应用
时间：2022-12-09 10:10:06 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
方汉兵
(浙江省桐庐县叶浅予中学,浙江 杭州 311500)
发光二极管(LED)是由半导体材料制成的一种发光元器件,具有节能、环保、显色性好、响应速度快等特点,被广泛用于各个领域。LED最早出现在1962年,早期它只能发红光,之后又能发其他单色光。随着科学技术的不断进步,如今LED不仅能发出各种可见光,还可以发出红外线和紫外线。由于它具有成本低、寿命长、发光电流小的特点,比较适合应用于改进实验装置和自制教具，在物理教学中具有广泛的应用价值。本文展示在初中物理教学中应用LED的案例，探讨LED在改进实验装置、提升教学效果、拓展课外实验、激发学生兴趣等方面的作用。
LED与普通二极管一样也是由一个PN结组成,具有单向导电性：正向导通,反向截止。由图1可以看出LED的正向伏安特性曲线很陡,正常发光时的电流约为20 mA。因此,使用LED时，首先要串联限流电阻来控制通过LED的电流，其次要会快速判断LED的正负接线柱，如图2所示，判断LED正负接线柱的方法一般有以下3种：(1)看引脚,引脚长的为正,短的为负；
(2)透过封装看内部金属,接触面积小的为正,反之为负；
(3)看封装外部的切口,有切口的一边为负,另一边为正。
图1
图2
现行浙教版初中科学教材已经出现使用发光二极管的实验,主要利用发光二极管发光电流小的特点,用来显示微小电流，具体案例如下。
案例1利用水果电池使LED发光
如图3所示，水果中含有果酸,在水果中插入铜片与锌片,就可以制成水果电池。[1]这样制成的电池电压很低,需把几个水果电池串联起来,但是这种电池能提供的电流也很有限,因此教材中选择使用低功耗的LED做实验。
图3
案例2烧红的玻璃能导电实验
导体和绝缘体的区别并不是绝对的,有些绝缘体在条件改变时会变成导体,因此教材上安排了如图4所示的烧红的玻璃能导电的实验。玻璃在通常情况下是绝缘体,但被烧红时会导电。早期教材使用小灯泡发光来检测玻璃是否导电，而现行教材已经改成使用LED发光来检测,LED发光时需要的电流比小灯泡小得多,实验更容易获得成功。
图4
案例3利用LED单向导电性辨别电源的正、负极
如图5所示,将LED串联一个限流电阻，与电源两极相连。若LED发光,则与LED正接线柱相连的为正极,另一极为负极；
若LED不发光,则与LED正接线柱相接的为负极,另一极为正极。当然,在LED不发光时，最好再反过来用LED发光的情况验证一下,以避免其他因素导致的LED不发光现象。
图5
案例4检测人体的导电性
因为人体电阻较大,一般情况下,由几根导线、几节干电池和小灯泡组成的电路无法验证人体是导体。如果用由电池、电流放大电路和LED组成的电路就可以解决这个问题。由于放大电路可把微小的电流放大,再由小功率的LED显示出来,可以使人体是导体的事实很容易得到验证。制作现在也不是问题,网上已经可以购买到相应的装置——人体导电球(图6)。该球的边沿有两只人体触摸金属螺丝,球内装有高能微型电池和放大电路。实验方法如下：首先用单只手接触一边的金属螺丝,球内的LED不会亮,说明没有形成闭合回路；
再用两只手分别接触两只金属螺丝,等于电路与人体形成回路后,球内的LED就会亮起,从而证明了人体是导体。为了增加实验的趣味性,还可以多个同学一起进行实验,所有同学手拉手,头尾两个同学的手同时接触两只金属螺丝，球内的灯就亮,只要有一位同学放开手,灯就会熄灭(图7)。
图6
图7
应用该装置还可以用来检测其他比较难验证的物质的导电性。例如:用干棉线连接球体两边的金属螺丝,球内LED不亮,再用水把棉线浸湿,LED发光,就可以验证水的导电性；
用与大地充分接触的导体来验证大地的导电性等。
案例5凸透镜成像实验光源的改进
浙教版初中科学教材中的探究凸透镜成像规律实验所用的光源为蜡烛，受中考试题的启发,笔者自己动手用多颗LED在纸板上拼成F字样,[2]用电池点亮后来替代蜡烛作为光源，改进后的实验主要有以下优点:
(1)用LED拼成的F屏做实验,其成像的亮度高,比蜡烛更容易观察；
(2)凸透镜成的实像是上下颠倒,左右相反的。用LED拼成的F屏来做光源不但能看出像上下颠倒,同时还能看出像的左右也是相反的，而蜡烛就只能看出上下颠倒,看不出左右相反；
(3)用LED拼成的F屏作光源,不会像蜡烛滴出蜡油在实验台上,也不会像蜡烛那样因燃烧变短而使像的位置发生变化。或许是因为中考题的影响,这种改进方法现在已经得到了许多教师的认同,厂家也已经生产出了相应的F屏产品(图8)。这样，科学教师也就不再需要自己动手将LED拼成F屏了,这个改进实验推广起来就更加方便了。
图8
案例6让学生“看到”红外线
浙教版初中科学教材中介绍了看不见的光——红外线,这节内容教材中没安排相关实验。学生对于这种看不见摸不着的光线没有感性认识,学习只能靠机械记忆。[3]为了让学生亲眼“看到”红外线确实存在,获得感性认识,笔者用红外LED设计了如图9所示的实验电路。
图9
红外LED通电后会发出红外线，人眼看不见,但可以使手机摄像头感光。笔者利用这一特点让学生“看到”了红外线。给实验装置通电,用人眼直接观察，只能看到普通LED指示灯发光,而红外线LED没有任何发光的迹象，通过摄像头再观察，会看到红外LED在发光(图10)。学生“看到”了红外线,有助于他们理解红外线的应用。如教师手边没有红外LED，也可以借助电视机遥控器来做这个实验,因为很多电视机遥控器发射信号就是靠红外LED，并且按电源开关时旁边也有一个红色的普通LED指示灯在发光。
图10
案例7利用紫外线验钞
浙教版初中科学教材在介绍能使荧光物质发光的紫外线时，在课本上呈现了紫外线验钞机的插图。笔者网上查询得知紫外LED价格便宜,大约10元能购买100个左右，所以用来做课外拓展实验再好不过,笔者在讲这部分内容时安排学生连接如图11所示的简单电路,让学生自制一台简易紫外验钞机。
图11
把这个实验开发成学生课外拓展实验,既增强了学生的动手能力,又激发了学生的学习兴趣。并且学生在实验过程中还产生了一个疑问：紫外线是一种人眼看不见的光,而紫外LED为什么发出蓝紫色的可见光?在笔者的引导下,学生不仅解决了心中的疑问,还观察到一般的紫外灯顺带会发出可见的蓝紫光的现象。
案例8自制数字抢答器
在初中物理教学中,分组教学是常见的教学方式。小组之间在学习知识的同时要是能够形成一定的竞争,可以使课堂变得更具有趣味性,能激发学生的学习兴趣。为此笔者特地用LED拼成“8”字形数显板,再运用电子技术自制一个八路数字抢答器。
笔者用此装置组织了班级的科学知识抢答赛，使用时给每个小组编上相应的组号,并在其桌上放一个相应组号的抢答开关,待老师宣布抢答开始后各小组按动开关抢答,LED数显板上就会显示抢答最快的组号(图12)。
图12
LED在初中教学中应用很广泛，除本文所述的案例之外,利用LED还可以开发出更多具有科学性、思维性、引导性、趣味性的实验，有效提升学生的核心素养。
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