發光二極管在高中物理低成本自制教具中的妙用

丁光潮 王修權

(1. 甘肅省永昌縣第七中學,甘肅 永昌 737200;2. 甘肅省永昌縣第一高級中學,甘肅 永昌 737200)

動手開發低成本自制教具及物理實驗，既激發了師生科學探究的精神，又為教學和研究創建了良好的平臺．筆者在研發與電磁感應相關的自制教具時，發現在電磁感應現象、楞次定律等實驗中，發光二極管能起到許多獨特的作用。這些實驗可以利用發光二極管所發光顏色、亮暗來判斷電流的有無及方向，實驗電路簡單巧妙、性能好、功能多，實驗現象直觀明了，操作簡便、安全、可靠。現結合幾個自制教具，探討發光二極管的作用。

1 楞次定律演示儀1

圖1

在電磁感應現象和楞次定律的教學中，筆者自制了楞次定律演示儀，實驗原理如圖1所示，該儀器主要由發光二極管、線圈、強磁鐵、電流表構成。如圖2所示,當條形磁鐵N極插入(或拔出)螺線管時，通過螺線管的磁通量發生了變化，螺線管中將產生感應電流，根據藍、綠二極管發光可以判斷感應電流的方向，再由安培定則判斷感應電流的磁場方向，并記錄實驗結果；將條形磁鐵S極插入(或拔出)螺線管，再次實驗并記錄實驗結果。通過對實驗結果的分析、比較，總結出楞次定律。

圖2

該演示儀主要利用了發光二極管的單向導電性，同時也利用了其亮度強弱與電流大小之間的關系。它不僅可以演示、探究感應電流的方向，還可通過對比分析磁鐵快速插入螺線管和緩慢插入螺線管時發光二極管的亮度的不同，探究感應電流大小的影響因素。

2 楞次定律演示儀2

楞次定律中的“阻礙”不是阻止，阻礙過程是一個能量轉化的過程，為幫助學生更好地理解“阻礙”的深層次含義，筆者用生活中常見的物品自制第二款楞次定律演示儀。

該儀器的主要制作材料為：透明加厚塑料(90cm×18cm)兩塊、鋁環(取自于廢舊燈具)6只、永磁汝鐵硼強磁鐵(D25×10mm)4只、發光二極管兩只、細木棒兩根(10cm)、玻璃珠、銅絲等。在遠離鋁環的一端纏繞線圈500匝左右，并與兩只發光二極管串聯在一起，這兩只發光二極管的極性相反、并聯在一起。

如圖3所示,將整個裝置豎直放置，將4只磁鐵放在一起，從鋁環上方釋放，二極管發光，表明在回路中有了電流，從能量的角度去分析，在此過程中將一部分重力勢能轉化為電能，而能量的轉化需要力做功去完成，教師引導學生進一步分析可知：磁鐵下降過程中克服安培力做功，這是一個能量轉化的過程。該演示儀用線圈與發光二極管串聯，當磁鐵穿過線圈時，二極管發光，實驗現象明顯，也能很好地激發學生的學習興趣。

圖3

3 斷電自感演示儀

自感實驗是高中一個很重要的物理實驗，利用發光二極管將原電路加以改進就可以顯示電流的方向，能使實驗現象清晰明了。實驗電路如圖4所示，實驗裝置如圖5所示。該演示儀制作材料為：鎮流器、發光二極管、干電池等。

圖4

圖5

閉合電鍵K，二極管D1發光，斷開電鍵K,鎮流器中會產生自感電動勢，電流通過L→D2→L形成回路，二極管D2發光，二極管D1熄滅，由此可以反映出電流的方向，演示斷電自感現象。

4 電容器充放電演示儀

演示儀的電路如圖6所示,實驗裝置如圖7所示。選用電容較大(1000μF以上)的電解電容器，這樣才能使發光二極管有足夠的發光強度，保證實驗的可視性。D1和D2分別選用額定電流較大的黃色和綠色的發光二極管，以區分充、放電的電流方向。閉合電鍵K2給電容器C充電，發光二極管D2發光，然后逐漸熄滅，發光二極管D1不亮；充好電后，斷開K2、閉合K1，電容器C放電，發光二極管D1發光,二極管D2不亮，在電容器C放電過程中發光二極管D1逐漸熄滅。充、放電時不同的發光二極管發光,顯示出充、放電的電流方向不同，實驗電路簡單、現象明顯。

圖6

圖7

5 二極管的直接應用

5.1 交流發電機中顯示交流電的方向和強弱

交流發電機在工作時,線圈每通過中性面一次，電流方向就改變一次。在許多發電機的模型中(如J2417)用的都是小燈泡,只能看出是否有電流通過,不能看出電流方向的變化。為克服這種不足，可以將小燈泡換成發光二極管。如圖8所示，將兩只發光二極管一只正接、一只反接，在發電機工作時兩只二極管交替發光，可演示電流方向的變化，能見度較好。

圖8

手搖轉速加快時，二極管的亮度增大，同時二極管“一閃一閃”的頻率也加快，由此說明，交流發電機的交流電頻率與手搖轉速有關，交流電流的大小也與轉速有關。

5.2 用于歐姆表測量電阻

多用表的使用是高中物理教學難點，特別是用歐姆擋測量電阻時，學生在選擋問題上存在困惑。用歐姆表測量發光二極管電阻時，通過對比正向電阻和反向電阻，特別是測量正向電阻時二極管還會發光，可激發學生的學習興趣，學生就會在探究實踐中掌握歐姆表的選檔原則。