LED在初中物理實驗教學中的應用

李小波 張卓

一、器材介紹

LED是發光二極管，是20世紀中期發展起來的新技術。它依靠半導體異質結中的電子通過勢壘產生的能量遷越直接發光。發光二極管的核心部分是由p型半導體和n型半導體組成的晶片，在p型半導體和n型半導體之間有一個過渡層，稱為p-n結。在某些半導體材料的PN結中，注入的少數載流子與多數載流子復合時會把多余的能量以光的形式釋放出來，從而把電能直接轉換為光能。PN結加反向電壓，少數載流子難以注入，故不發光。這種利用注入式電致發光原理制作的二極管叫發光二極管，通稱LED。 當它處于正向工作狀態時（即兩端加上正向電壓），電流從LED陽極流向陰極時，半導體晶體就發出從紫外到紅外不同顏色的光線，光的強弱與電流有關。

通過LED制作的燈具由于發光過程不產生熱量，能量轉換效率接近百分之百，壽命超長，是照明技術的發展方向。20世紀60年代，科技工作者利用半導體PN結發光的原理，研制成了LED發光二極管。當時研制的LED，所用的材料是GaASP，其發光顏色為紅色。經過近30年的發展，大家十分熟悉的LED，已能發出紅、橙、黃、綠、藍等多種色光，然而照明需用的白色光LED僅在2000年以后才發展起來。

由于LED具有節能環保、使用壽命長、高亮度和低熱量等特點，在現代人們的實際生活中得到了了廣泛的應用。而在我們初中物理實驗教學中，LED也逐漸走入了課堂，并發揮了良好的效果。

二、LED燈在教學實驗中的應用實例

1.同一物質的導電性能是否會發生改變

在北京市義務教育課程改革實驗教材實驗本物理課本9年級（北京師范大學出版社）第一章第二節 《探究不同物質的導電性能》中有如圖1所示的實驗，

教材借此實驗來說明絕緣體在一定的條件下會變成導體。在實際教學中，出于實驗安全考慮，我們從沒有采用過圖1的實驗方式來講解這一知識點。

但是在北京市教育科學研究院編寫的義務教育教科書物理九年級（全一冊）（北京師范大學出版社）第一章第三節《探究不同物質的導電性能》中該實驗改為了圖2所示的實驗。其中一個重要的變化是將實驗中的白熾燈泡改換為了LED，相應的也將電源由家庭電路插座改為了蓄電池。如此調整，在不影響實驗效果的前提下，大大提升了實驗的安全性，同時也大大提高了演示實驗操作的可行性。

受到教材自身改變的啟發，LED開始走進了我們的課堂。

2.探究不同物質的導電性能

圖3是北京市教育科學研究院編寫的義務教育教科書物理九年級（全一冊）（北京師范大學出版社）第一章第三節《探究不同物質的導電性能》中研究不同物質的導電性能時所采用的實驗電路圖。

教材中以小燈泡作檢測元件，檢測電路中是否有電流。學生剛剛開始認識電路，最熟悉的用電器即是小燈泡，已經體驗到有電流通過小燈泡，小燈泡會發光，所以小燈泡一定會是首先想到的判斷不同物質的導電性能的檢測元件。但教材安排止步于此，有些不妥。小燈泡能檢測出電流，但如果電路中電流過小，小燈泡不發光，這使得一些能導電的物質在接入電路中時，小燈泡不發光，這會漏掉一些能導電的物質，比如說鹽水，這對很多學生造成了困擾。所以需要選擇一個能檢測出微小電流的檢測元件。在教材第九章第二節里已經介紹了發光二極管（LED燈）及其作用，所以我們應該在原有實驗的基礎上添加一個改進實驗，把原有電路圖中的小燈泡換成LED燈，這樣可以對由小燈泡檢測出的不導電的物質再次檢測，看這些“不導電的物質”真的不導電嗎？

這樣設計實驗，一方面讓學生們對檢測物質是否導電的原理和辦法更加熟悉;另一方面讓學生了解哪些物質導電，哪些物質不導電，能夠安全用電;再一方面，讓學生體驗探究過程，明白對任何結論都不要輕易相信，要充分分析實驗過程;最后，使學生體會到要想讓實驗結論可信度高要盡可能選擇靈敏度高的器材。

3.其他應用

除了在以上幾個方面，結合LED的特點，它在初中物理實驗教學中還可以有更廣泛的應用。例如：在探究平面鏡成像特點的實驗中，可以使用“電子蠟燭”（內部有LED）;在探究凸透鏡成像規律的實驗中，可以利用多個LED 組合出不同的形狀作為發光物體，替代之前蠟燭的作用;在研究水果電池時，可以利用LED的單向導電性判斷電源的正負極;在研究電流的形成時，可以利用兩個驗電器（一個帶電，一個不帶電）和LED配合使用來觀察LED瞬間發光的現象，以此來體會電荷的定向移動形成電流這一抽象概念。

三、小結

從1907年LED效應發現到1993中村修二發明高亮度藍色LED，再到1999年1W的LED正式商業化使用，LED經歷了將近一百年時間的發展。在此之前，人們一直使用的是上個世紀愛迪生發明的白熾燈泡，而白熾燈泡浪費了絕大部分能量在發熱上，大概有九成的電力都被浪費。LED燈具的出現，極大地降低照明所需要的電力，同時LED具有壽命長、環保、免維護等優點，迅速取代了白熾燈的位置。2012年，中國政府宣布，全面禁止銷售和進口100瓦以上的普通照明用白熾燈，陪伴老一輩中國人幾十年的白熾燈走到了歷史的盡頭。正如在2014年諾貝爾物理學獎頒獎詞中寫到的那樣：“白熾燈照亮20世紀，而LED將照亮21世紀?！?/p>

在近二十年的時間里，LED不僅變成了最主要的照明燈具進入生活，這幾年它也開始走進初中物理實驗，對于LED的使用，我們不能僅僅停留在每一個具體實驗中，還要讓學生們通過新發明體會科技改變世界、科技改變未來這一理念，樹立積極健康的科學觀，以興趣帶動學習。