中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中發(fā)光二極管及激光二極管的應(yīng)用

王佳星

摘 要： 在光電產(chǎn)品之中，發(fā)光型和激光型二極管科技含量比較高，這兩種二極管不僅具有普通二極管的特征、性能，而且相比普通二極管其工作電流更小、壽命更長(zhǎng)、發(fā)光效率更高、色光也更艷麗。通過(guò)這兩種類(lèi)型二極管可以使電流流向、單方向?qū)щ娦阅芎臀㈦娏鳟a(chǎn)生的變化等得以完美體現(xiàn)，作者對(duì)中學(xué)階段的一些物理實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了部分改進(jìn)探討。

關(guān)鍵詞： 中學(xué)物理 物理實(shí)驗(yàn) 發(fā)光二極管 激光二極管

對(duì)于物理實(shí)驗(yàn)而言，一般采用白熾燈、鈉燈、低壓汞燈及氦氖激光器等作為光源。目前，發(fā)光型二極管（即通常所說(shuō)的LED）、激光型二極管（即通常所說(shuō)的LD）這兩種半導(dǎo)體形式的光源構(gòu)造方面十分特殊，在物理實(shí)驗(yàn)課程中考慮用這兩種光源代替?zhèn)鹘y(tǒng)類(lèi)型的光源，實(shí)踐證明其效果比其他光源更直觀和完美。我在以下幾個(gè)實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行了探討改進(jìn)：

一、 利用發(fā)光二極管進(jìn)行實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

1.改進(jìn)凸透鏡成像的規(guī)律實(shí)驗(yàn)

對(duì)于發(fā)光二極管而言，其具有發(fā)光率強(qiáng)、工作電流范圍廣、光色豐富、成本低廉等特性。結(jié)合這些特點(diǎn)，可以利用二極管對(duì)一些實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)。比如：可以利用多支發(fā)光二極管取代蠟燭作為光源，其效果會(huì)得到很大程度的提升。在改進(jìn)時(shí)，選擇九個(gè)統(tǒng)一顏色的發(fā)光二極管，將其排列于同一個(gè)平面之上。再通過(guò)在每一個(gè)發(fā)光二極管上串聯(lián)一個(gè)5Ω的限流電阻，為發(fā)光二極管提供6V的電壓，并組成一個(gè)相應(yīng)的電路圖。當(dāng)完成二極管拼裝后，將其安裝于一塊事先準(zhǔn)備好的塑料板之上，再將其固定于傳統(tǒng)凸透鏡成像實(shí)驗(yàn)器材上，取代原先蠟燭的位置。當(dāng)接通電源之后，其發(fā)光二極管光源會(huì)呈現(xiàn)出F字形，而且其發(fā)光效果非常理想，讓我們?cè)谟^察成像效果時(shí)更明顯。

2.改進(jìn)玻璃變導(dǎo)體實(shí)驗(yàn)

在進(jìn)行學(xué)習(xí)影響電阻大小的因素知識(shí)過(guò)程中，在老師的指導(dǎo)下開(kāi)展了玻璃變導(dǎo)體實(shí)驗(yàn)。在與幾名學(xué)生討論后發(fā)現(xiàn)，可以利用五只統(tǒng)一顏色的高亮度發(fā)光二極管及一支9Ω的限流電阻進(jìn)行串聯(lián)。完成串聯(lián)之后，接通6V直流電源來(lái)進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)其二極管并不會(huì)發(fā)光，這就可以證明玻璃并不具備導(dǎo)電的性質(zhì)，也就是老師所教授的絕緣體。之后可以利用酒精燈對(duì)實(shí)驗(yàn)所用的玻璃燈芯進(jìn)行加熱后再觀察。發(fā)現(xiàn)在加熱后剛才所串聯(lián)好的發(fā)光二極管開(kāi)始發(fā)出亮光，由此證明玻璃燈芯開(kāi)始導(dǎo)電，讓先前的絕緣體成了導(dǎo)體。

二、LED在中學(xué)階段物理實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)中的相關(guān)應(yīng)用

1.對(duì)LED具有的單方向?qū)щ娦阅苓M(jìn)行判斷的實(shí)驗(yàn)

圖三是對(duì)LED在單方向?qū)щ娦阅芊矫娴膶?shí)驗(yàn)電路圖：采用3伏電壓，電源類(lèi)型為直流電，進(jìn)行正向連接的時(shí)候，也就是說(shuō)紅線(xiàn)接正極，黑線(xiàn)接負(fù)極，則D1進(jìn)行發(fā)光；反接則D2進(jìn)行發(fā)光，由此可見(jiàn)，LED具備單方向?qū)щ娦阅堋?/p>

2.楞次定律實(shí)驗(yàn)

先對(duì)螺線(xiàn)管進(jìn)行纏繞，繞線(xiàn)要求高于一萬(wàn)匝，裹緊后貼上白紙，標(biāo)注纏繞方向，再把引線(xiàn)連上LED。依據(jù)螺線(xiàn)管具有的內(nèi)徑大小選擇幾個(gè)條形磁鐵，再把這些磁鐵通過(guò)透明膠帶進(jìn)行固定。進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，把磁鐵北極放進(jìn)螺線(xiàn)管里面，則D2散發(fā)綠光，可以得出此時(shí)螺線(xiàn)管已形成感應(yīng)電流，且可以對(duì)其方向進(jìn)行判斷，利用右手定則判斷磁場(chǎng)方向。如果將磁鐵取出，則D1散發(fā)紅色的光，也能夠?qū)Υ艌?chǎng)方向進(jìn)行判斷，從中看出感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)對(duì)于螺線(xiàn)管里面的磁通量造成的阻礙大小，進(jìn)而得出機(jī)械能向電能進(jìn)行轉(zhuǎn)化及感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)會(huì)阻礙磁通量變化的結(jié)論。

3.電容進(jìn)行充放電方面的實(shí)驗(yàn)

在電容進(jìn)行充放電相關(guān)實(shí)驗(yàn)中，電壓為3伏，電源形式為直流電，電容C的數(shù)值為2200微法，耐壓大于 3 伏，兩個(gè)二極管D1和D2分別發(fā)出紅色和綠色的光，控制電源的開(kāi)關(guān)K類(lèi)型是單刀雙擲。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，先將 K 推到“1”的位置，使 C處于充電狀態(tài)，這個(gè)時(shí)候D1散發(fā)紅光接著熄滅，由此可見(jiàn)其充電電流先大后小。再把K推到“2”的位置，C進(jìn)行放電，此時(shí)D2散發(fā)綠光接著熄滅，由此可見(jiàn)其放電電流也是先大后小。通過(guò)對(duì)電流流向進(jìn)行比較可知，充電時(shí)和放電時(shí)其方向恰好相反，且通過(guò)D2散發(fā)綠光可知，電容器進(jìn)行充電的時(shí)候具有儲(chǔ)電功能并在放電的時(shí)候?yàn)镈2供能。

三、激光二極管在干涉實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

在開(kāi)展此實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，主要針對(duì)的是共陽(yáng)極激光二極管。激光二極管諧振腔中有兩個(gè)諧振腔所組成，當(dāng)激光二極管的光源通過(guò)反饋回到LD上時(shí)，其通過(guò)準(zhǔn)直透鏡所形成的光束直接射在透鏡上。LD（半導(dǎo)體激光器）所射出的光束可以通過(guò)已知厚度d而且表面較為玷污反射鏡，這樣的過(guò)程可以形成等傾干涉測(cè)量，根據(jù)邁克耳孫干涉原理，在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)所得出的數(shù)據(jù)波長(zhǎng)為 783nm。這里值得一提的是，在利用激光二極管開(kāi)展實(shí)驗(yàn)時(shí)，必須針對(duì)其性能參數(shù)進(jìn)行非常仔細(xì)的分析和了解，這樣才能確保實(shí)驗(yàn)所得出的數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)性。

四、結(jié)語(yǔ)

伴隨LED和LD相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，由其構(gòu)成的半導(dǎo)體形式光源不但在功能方面能夠?qū)鹘y(tǒng)類(lèi)型光源取而代之，還因?yàn)槠洫?dú)特的構(gòu)造形式，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中比傳統(tǒng)類(lèi)型光源產(chǎn)生的效果更優(yōu)越。與此同時(shí)，這種類(lèi)型的光源具有體積比較小、發(fā)光率非常高、使用壽命很長(zhǎng)而且價(jià)格比較便宜等許多優(yōu)點(diǎn)。因此，可以在中學(xué)階段物理實(shí)驗(yàn)中大力推行這種光源。

參考文獻(xiàn)：

[1]李月鋒，黃耀清，王歡.不同電流下發(fā)光二極管溫度和光譜特性的實(shí)驗(yàn)研究[J].大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，2013，（02）.

[2]劉一兵，劉慧熒.高亮度發(fā)光二極管（HB—LED）及應(yīng)用概況[J].湖南理工學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）， 2007，（02）.