方漢兵

(浙江省桐廬縣葉淺予中學(xué),浙江 杭州 311500)

1 引言

發(fā)光二極管(LED)是由半導(dǎo)體材料制成的一種發(fā)光元器件,具有節(jié)能、環(huán)保、顯色性好、響應(yīng)速度快等特點(diǎn),被廣泛用于各個(gè)領(lǐng)域。LED最早出現(xiàn)在1962年,早期它只能發(fā)紅光,之后又能發(fā)其他單色光。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步,如今LED不僅能發(fā)出各種可見光,還可以發(fā)出紅外線和紫外線。由于它具有成本低、壽命長、發(fā)光電流小的特點(diǎn),比較適合應(yīng)用于改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置和自制教具，在物理教學(xué)中具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。本文展示在初中物理教學(xué)中應(yīng)用LED的案例，探討LED在改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置、提升教學(xué)效果、拓展課外實(shí)驗(yàn)、激發(fā)學(xué)生興趣等方面的作用。

2 LED的特點(diǎn)和使用注意事項(xiàng)

LED與普通二極管一樣也是由一個(gè)PN結(jié)組成,具有單向?qū)щ娦裕赫驅(qū)?反向截止。由圖1可以看出LED的正向伏安特性曲線很陡,正常發(fā)光時(shí)的電流約為20 mA。因此,使用LED時(shí)，首先要串聯(lián)限流電阻來控制通過LED的電流，其次要會(huì)快速判斷LED的正負(fù)接線柱，如圖2所示，判斷LED正負(fù)接線柱的方法一般有以下3種：(1)看引腳,引腳長的為正,短的為負(fù)；(2)透過封裝看內(nèi)部金屬,接觸面積小的為正,反之為負(fù)；(3)看封裝外部的切口,有切口的一邊為負(fù),另一邊為正。

圖1

圖2

3 LED在浙教版初中科學(xué)教材中的應(yīng)用

現(xiàn)行浙教版初中科學(xué)教材已經(jīng)出現(xiàn)使用發(fā)光二極管的實(shí)驗(yàn),主要利用發(fā)光二極管發(fā)光電流小的特點(diǎn),用來顯示微小電流，具體案例如下。

案例1利用水果電池使LED發(fā)光

如圖3所示，水果中含有果酸,在水果中插入銅片與鋅片,就可以制成水果電池。[1]這樣制成的電池電壓很低,需把幾個(gè)水果電池串聯(lián)起來,但是這種電池能提供的電流也很有限,因此教材中選擇使用低功耗的LED做實(shí)驗(yàn)。

圖3

案例2燒紅的玻璃能導(dǎo)電實(shí)驗(yàn)

導(dǎo)體和絕緣體的區(qū)別并不是絕對(duì)的,有些絕緣體在條件改變時(shí)會(huì)變成導(dǎo)體,因此教材上安排了如圖4所示的燒紅的玻璃能導(dǎo)電的實(shí)驗(yàn)。玻璃在通常情況下是絕緣體,但被燒紅時(shí)會(huì)導(dǎo)電。早期教材使用小燈泡發(fā)光來檢測(cè)玻璃是否導(dǎo)電，而現(xiàn)行教材已經(jīng)改成使用LED發(fā)光來檢測(cè),LED發(fā)光時(shí)需要的電流比小燈泡小得多,實(shí)驗(yàn)更容易獲得成功。

圖4

4 LED在初中物理教學(xué)中的創(chuàng)新應(yīng)用

案例3利用LED單向?qū)щ娦员鎰e電源的正、負(fù)極

如圖5所示,將LED串聯(lián)一個(gè)限流電阻，與電源兩極相連。若LED發(fā)光,則與LED正接線柱相連的為正極,另一極為負(fù)極；若LED不發(fā)光,則與LED正接線柱相接的為負(fù)極,另一極為正極。當(dāng)然,在LED不發(fā)光時(shí)，最好再反過來用LED發(fā)光的情況驗(yàn)證一下,以避免其他因素導(dǎo)致的LED不發(fā)光現(xiàn)象。

圖5

案例4檢測(cè)人體的導(dǎo)電性

因?yàn)槿梭w電阻較大,一般情況下,由幾根導(dǎo)線、幾節(jié)干電池和小燈泡組成的電路無法驗(yàn)證人體是導(dǎo)體。如果用由電池、電流放大電路和LED組成的電路就可以解決這個(gè)問題。由于放大電路可把微小的電流放大,再由小功率的LED顯示出來,可以使人體是導(dǎo)體的事實(shí)很容易得到驗(yàn)證。制作現(xiàn)在也不是問題,網(wǎng)上已經(jīng)可以購買到相應(yīng)的裝置——人體導(dǎo)電球(圖6)。該球的邊沿有兩只人體觸摸金屬螺絲,球內(nèi)裝有高能微型電池和放大電路。實(shí)驗(yàn)方法如下：首先用單只手接觸一邊的金屬螺絲,球內(nèi)的LED不會(huì)亮,說明沒有形成閉合回路；再用兩只手分別接觸兩只金屬螺絲,等于電路與人體形成回路后,球內(nèi)的LED就會(huì)亮起,從而證明了人體是導(dǎo)體。為了增加實(shí)驗(yàn)的趣味性,還可以多個(gè)同學(xué)一起進(jìn)行實(shí)驗(yàn),所有同學(xué)手拉手,頭尾兩個(gè)同學(xué)的手同時(shí)接觸兩只金屬螺絲，球內(nèi)的燈就亮,只要有一位同學(xué)放開手,燈就會(huì)熄滅(圖7)。

圖6

圖7

應(yīng)用該裝置還可以用來檢測(cè)其他比較難驗(yàn)證的物質(zhì)的導(dǎo)電性。例如:用干棉線連接球體兩邊的金屬螺絲,球內(nèi)LED不亮,再用水把棉線浸濕,LED發(fā)光,就可以驗(yàn)證水的導(dǎo)電性；用與大地充分接觸的導(dǎo)體來驗(yàn)證大地的導(dǎo)電性等。

案例5凸透鏡成像實(shí)驗(yàn)光源的改進(jìn)

浙教版初中科學(xué)教材中的探究凸透鏡成像規(guī)律實(shí)驗(yàn)所用的光源為蠟燭，受中考試題的啟發(fā),筆者自己動(dòng)手用多顆LED在紙板上拼成F字樣,[2]用電池點(diǎn)亮后來替代蠟燭作為光源，改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)主要有以下優(yōu)點(diǎn):

(1)用LED拼成的F屏做實(shí)驗(yàn),其成像的亮度高,比蠟燭更容易觀察；

(2)凸透鏡成的實(shí)像是上下顛倒,左右相反的。用LED拼成的F屏來做光源不但能看出像上下顛倒,同時(shí)還能看出像的左右也是相反的，而蠟燭就只能看出上下顛倒,看不出左右相反；

(3)用LED拼成的F屏作光源,不會(huì)像蠟燭滴出蠟油在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上,也不會(huì)像蠟燭那樣因燃燒變短而使像的位置發(fā)生變化?；蛟S是因?yàn)橹锌碱}的影響,這種改進(jìn)方法現(xiàn)在已經(jīng)得到了許多教師的認(rèn)同,廠家也已經(jīng)生產(chǎn)出了相應(yīng)的F屏產(chǎn)品(圖8)。這樣，科學(xué)教師也就不再需要自己動(dòng)手將LED拼成F屏了,這個(gè)改進(jìn)實(shí)驗(yàn)推廣起來就更加方便了。

圖8

案例6讓學(xué)生“看到”紅外線

浙教版初中科學(xué)教材中介紹了看不見的光——紅外線,這節(jié)內(nèi)容教材中沒安排相關(guān)實(shí)驗(yàn)。學(xué)生對(duì)于這種看不見摸不著的光線沒有感性認(rèn)識(shí),學(xué)習(xí)只能靠機(jī)械記憶。[3]為了讓學(xué)生親眼“看到”紅外線確實(shí)存在,獲得感性認(rèn)識(shí),筆者用紅外LED設(shè)計(jì)了如圖9所示的實(shí)驗(yàn)電路。

圖9

紅外LED通電后會(huì)發(fā)出紅外線，人眼看不見,但可以使手機(jī)攝像頭感光。筆者利用這一特點(diǎn)讓學(xué)生“看到”了紅外線。給實(shí)驗(yàn)裝置通電,用人眼直接觀察，只能看到普通LED指示燈發(fā)光,而紅外線LED沒有任何發(fā)光的跡象，通過攝像頭再觀察，會(huì)看到紅外LED在發(fā)光(圖10)。學(xué)生“看到”了紅外線,有助于他們理解紅外線的應(yīng)用。如教師手邊沒有紅外LED，也可以借助電視機(jī)遙控器來做這個(gè)實(shí)驗(yàn),因?yàn)楹芏嚯娨暀C(jī)遙控器發(fā)射信號(hào)就是靠紅外LED，并且按電源開關(guān)時(shí)旁邊也有一個(gè)紅色的普通LED指示燈在發(fā)光。

圖10

案例7利用紫外線驗(yàn)鈔

浙教版初中科學(xué)教材在介紹能使熒光物質(zhì)發(fā)光的紫外線時(shí)，在課本上呈現(xiàn)了紫外線驗(yàn)鈔機(jī)的插圖。筆者網(wǎng)上查詢得知紫外LED價(jià)格便宜,大約10元能購買100個(gè)左右，所以用來做課外拓展實(shí)驗(yàn)再好不過,筆者在講這部分內(nèi)容時(shí)安排學(xué)生連接如圖11所示的簡單電路,讓學(xué)生自制一臺(tái)簡易紫外驗(yàn)鈔機(jī)。

圖11

把這個(gè)實(shí)驗(yàn)開發(fā)成學(xué)生課外拓展實(shí)驗(yàn),既增強(qiáng)了學(xué)生的動(dòng)手能力,又激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。并且學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中還產(chǎn)生了一個(gè)疑問：紫外線是一種人眼看不見的光,而紫外LED為什么發(fā)出藍(lán)紫色的可見光?在筆者的引導(dǎo)下,學(xué)生不僅解決了心中的疑問,還觀察到一般的紫外燈順帶會(huì)發(fā)出可見的藍(lán)紫光的現(xiàn)象。

案例8自制數(shù)字搶答器

在初中物理教學(xué)中,分組教學(xué)是常見的教學(xué)方式。小組之間在學(xué)習(xí)知識(shí)的同時(shí)要是能夠形成一定的競爭,可以使課堂變得更具有趣味性,能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。為此筆者特地用LED拼成“8”字形數(shù)顯板,再運(yùn)用電子技術(shù)自制一個(gè)八路數(shù)字搶答器。

筆者用此裝置組織了班級(jí)的科學(xué)知識(shí)搶答賽，使用時(shí)給每個(gè)小組編上相應(yīng)的組號(hào),并在其桌上放一個(gè)相應(yīng)組號(hào)的搶答開關(guān),待老師宣布搶答開始后各小組按動(dòng)開關(guān)搶答,LED數(shù)顯板上就會(huì)顯示搶答最快的組號(hào)(圖12)。

圖12

5 結(jié)語

LED在初中教學(xué)中應(yīng)用很廣泛，除本文所述的案例之外,利用LED還可以開發(fā)出更多具有科學(xué)性、思維性、引導(dǎo)性、趣味性的實(shí)驗(yàn)，有效提升學(xué)生的核心素養(yǎng)。