發光二極管在高中物理實驗中的應用

栗麒婷 楊建波

(晉城市第二中學 山西 晉城 048000)

1 引言

實驗是物理課的魅力所在，在物理教學中有著不可替代的重要地位.通過實驗教學不僅可以提高學生學習物理的興趣，同時也能夠加深對物理知識的理解.自己動手開發低成本物理實驗，既可激發師生科學探究的精神，又為教學和研究創建了良好的平臺.本文將發光二極管應用到高中物理實驗方面，用發光二極管及少量電學元件演示中學物理電學方面許多電現象的實驗，例如，電磁感應現象的演示、楞次定律的演示等等.這些實驗用發光二極管的顏色、亮暗來判斷電信號的有無及方向，實驗電路簡單巧妙、性能好、功能多、實驗效果直接明了,實驗操作簡便安全可靠，這樣既節省了實驗器材，又對高中物理實驗的開發起到很大促進作用.下面就二極管電路開發高中物理實驗方面的內容作一個探討，供各位中學物理教師參考借鑒.

2 電磁感應現象實驗的開發

2.1 用途

用于高中物理中探究感應電流的產生條件.

2.2 教具構造、實物圖及電路圖

塑料管1根、線圈4個、發光二極管4個、磁鐵1個.電磁感應教具實物圖與原理圖如圖1和圖2所示.

圖1 電磁感應教具實物圖

圖2 電磁感應教具原理圖

2.3 原理

感應電流的產生條件：穿過閉合導體回路的磁通量發生變化.只要穿過導體閉合回路的磁通量發生變化，閉合電路中就有感應電流.線圈與二極管組成閉合導體回路，磁鐵通過線圈時，穿過閉合導體回路的磁通量發生變化，產生感應電流，二極管發光.

2.4 使用方法

(1)將柱形磁鐵放入纏有4個線圈的塑料管中，使磁鐵在塑料管中上下運動，觀察二極管發光情況；

(2)將柱形磁鐵放入纏有4個線圈的塑料管中，使磁鐵在塑料管中左右運動，觀察二極管發光情況，加快磁鐵的運動，觀察二極管發光情況；

(3)根據觀察到的現象思考二極管發光的原因，得出實驗結論.

2.5 電磁感應教具的創新之處及使用效果

有趣的電磁感應現象多種多樣，如果能把這部分內容結合到高中物理課堂上來，會十分有趣，能夠激發學生學習物理的興趣.在一根塑料管上纏繞4個線圈匝數不等的線圈，每個線圈上串有1個發光二極管.當磁鐵在塑料管中上下或左右搖晃時，線圈上的二極管依次發光，磁鐵運動的越快，二極管發光變化越快.可以用此教具來讓學生進一步理解感應電流的產生條件并引出下一節楞次定律——磁鐵進線圈和出線圈時穿過閉合回路的磁通量都會發生變化，都會產生感應電流，究竟是進線圈還是出線圈時產生的感應電流使二極管發光呢?可以設置一個懸念，為下一節的學習埋下伏筆.

2.6 注意事項與維護

(1)插入或拔出磁鐵時，動作要快，插入或拔出磁鐵越快，二極管發光越明顯；

(2)磁鐵作為強磁材料，有硬、脆、磁場強的特性，要輕取輕放，磁鐵本身或與其他鐵器相吸或分離時，不可沖擊，否則易造成因碰撞而損壞磁鐵或夾傷手指；

(3)發光二極管固定在線圈上裸露在外，保存時應注意將塑料管固定，盡量使二極管不接觸其他物體，否則容易出現二極管不亮的問題.

德興銅礦大山選廠的工藝流程經過多次技術改造，目前生產采用等可浮浮選工藝流程［5-7］。此次試驗研究基于大山廠現有工藝流程進行，粗選段采用一段磨礦、兩次粗選，其中粗選I作業采用選擇性捕收劑對銅、鉬目的礦物進行等可浮浮選回收，粗選I的泡沫直接精選后獲得銅精礦1；粗選II作業采用黃藥類捕收劑進行強化捕收，增加銅、鉬回收率，粗選II的泡沫進入二段磨礦，然后進行銅硫分離，精選后得到銅精礦2，精掃選后得到尾礦2（生產上進入選硫作業獲得硫精礦）。

3 楞次定律實驗的開發

3.1 用途

用于高中物理中探究楞次定律.

3.2 教具構造、實物圖及電路圖

楞次定律說明裝置1個,線圈1個,磁鐵1個,自制電路板1個(包括兩個顏色不同的發光二極管).楞次定律說明裝置圖與電路圖如圖3和圖4所示，圖5為楞次定律課本實驗裝置與開發實驗裝置對比圖.

圖3 楞次定律說明裝置圖

圖4 楞次定律說明裝置電路圖

圖5 楞次定律課本實驗裝置與開發實驗裝置對比圖

3.3 原理

楞次定律：感應電流的磁場總要阻礙引起感應電流的磁通量的變化.

3.4 使用方法

(1)對發光二極管的顏色與電流方向的對應關系進行說明；

(2)將N極插入線圈，觀察哪個發光二極管亮，畫出草圖，進行標注并記錄相關信息；

(3)再將N極拔出線圈，S極插入、拔出線圈，重復步驟(2)進行記錄；

(4)將得到的信息進行整理并嘗試分析得出楞次定律.

3.5 自制教具的創新之處及使用效果

楞次定律實驗在課本中有實驗裝置，是將一個線圈和電流表通過導線組成閉合回路，磁鐵插入或拔出線圈，感應電流的方向不同.此教具考慮用反向并聯的發光二極管焊接板來代替電流表，用二極管發出不同顏色的光來代替電流表指針的左右偏轉.這樣做一方面來看，顏色的變化更能吸引學生的注意，另一方面，在設置好的情況下，可以直接用燈的顏色來表示電流方向，省去交代電流的流向與電流表指針偏轉方向的關系.

3.6 注意事項與維護

(1)插入或拔出磁鐵時，動作要快，插入或拔出磁鐵越快，二極管發光越明顯；

(2)磁鐵作為強磁材料，有硬、脆、磁場強的特性，要輕取輕放，磁鐵本身或與其他鐵器相吸或分離時，不可沖擊，否則易造成因碰撞而損壞磁鐵或夾傷手指；

(3)自制說明裝置的銅絲連接部分易變形，使用和保存時需注意.

4 電容器充放電的演示實驗

4.1 用途

用于高中物理中演示電容器的充放電.

4.2 教具構造、實物圖及電路圖

電池盒1個,1.5 V干電池4節、自制電路板1個(包括兩個顏色不同的發光二極管)，2 200 μF的電容器1個.

圖6 電容器充放電實物及原理圖

4.3 原理

電容器充電過程中，充電電流由大變小；放電過程中，放電電流由大變小.充電電流和放電電流方向相反.電容器充電時儲存電能，放電時釋放所儲存的電能.

4.4 使用方法

(1)將4節干電池放入電池盒中，兩根導線分別接到電池盒的兩個電極；

(2)將開關撥向上方，電容器充電，紅色的二極管發光并慢慢變暗直至熄滅；

(3)將開關撥向下方，電容器放電，綠色的二極管發光并慢慢變暗直至熄滅.

4.5 自制教具的創新之處及使用效果

電容器的充放電在實驗室是用演示電表指針的偏轉來演示的，演示電表較笨重，不易攜帶，用發光二極管較輕便，容易攜帶；用顏色的變化來代替指針的偏轉，更能吸引學生的注意.

4.6 注意事項與維護

電路板較脆弱，易損壞，存放、拿取和使用的時候需謹慎.

5 結束語

通過以上實驗的開發，我們得到了啟發.上述實驗只是對高中物理電學方面部分實驗的開發.電學方面還有許多實驗可以開發，比如電磁振蕩的演示實驗、交流電產生的演示實驗、溫度影響電阻率的實驗、斷電自感的實驗、互感現象的演示等等.如果我們開動腦筋繼續研究，還可以對中學物理力、熱、電、光等方面的許多實驗進行開發.它的優點是：電路簡單，器件少，安裝方便、安全可靠、演示效果明顯，既可激發學生的學習興趣，還可節省大量的較笨重的儀器和器材，又完成了中學物理實驗的內容，大大提高及改進了中學物理實驗教學水平.這些實驗教具自己動手用簡單的材料就可以制成，成本較低，有廣泛的推廣意義.