LED在初中物理实验教学中的应用

李小波 张卓

一、器材介绍

LED是发光二极管，是20世纪中期发展起来的新技术。它依靠半导体异质结中的电子通过势垒产生的能量迁越直接发光。发光二极管的核心部分是由p型半导体和n型半导体组成的晶片，在p型半导体和n型半导体之间有一个过渡层，称为p-n结。在某些半导体材料的PN结中，注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来，从而把电能直接转换为光能。PN结加反向电压，少数载流子难以注入，故不发光。这种利用注入式电致发光原理制作的二极管叫发光二极管，通称LED。 当它处于正向工作状态时（即两端加上正向电压），电流从LED阳极流向阴极时，半导体晶体就发出从紫外到红外不同颜色的光线，光的强弱与电流有关。

通过LED制作的灯具由于发光过程不产生热量，能量转换效率接近百分之百，壽命超长，是照明技术的发展方向。20世纪60年代，科技工作者利用半导体PN结发光的原理，研制成了LED发光二极管。当时研制的LED，所用的材料是GaASP，其发光颜色为红色。经过近30年的发展，大家十分熟悉的LED，已能发出红、橙、黄、绿、蓝等多种色光，然而照明需用的白色光LED仅在2000年以后才发展起来。

由于LED具有节能环保、使用寿命长、高亮度和低热量等特点，在现代人们的实际生活中得到了了广泛的应用。而在我们初中物理实验教学中，LED也逐渐走入了课堂，并发挥了良好的效果。

二、LED灯在教学实验中的应用实例

1.同一物质的导电性能是否会发生改变

在北京市义务教育课程改革实验教材实验本物理课本9年级（北京师范大学出版社）第一章第二节 《探究不同物质的导电性能》中有如图1所示的实验，

教材借此实验来说明绝缘体在一定的条件下会变成导体。在实际教学中，出于实验安全考虑，我们从没有采用过图1的实验方式来讲解这一知识点。

但是在北京市教育科学研究院编写的义务教育教科书物理九年级（全一册）（北京师范大学出版社）第一章第三节《探究不同物质的导电性能》中该实验改为了图2所示的实验。其中一个重要的变化是将实验中的白炽灯泡改换为了LED，相应的也将电源由家庭电路插座改为了蓄电池。如此调整，在不影响实验效果的前提下，大大提升了实验的安全性，同时也大大提高了演示实验操作的可行性。

受到教材自身改变的启发，LED开始走进了我们的课堂。

2.探究不同物质的导电性能

图3是北京市教育科学研究院编写的义务教育教科书物理九年级（全一册）（北京师范大学出版社）第一章第三节《探究不同物质的导电性能》中研究不同物质的导电性能时所采用的实验电路图。

教材中以小灯泡作检测元件，检测电路中是否有电流。学生刚刚开始认识电路，最熟悉的用电器即是小灯泡，已经体验到有电流通过小灯泡，小灯泡会发光，所以小灯泡一定会是首先想到的判断不同物质的导电性能的检测元件。但教材安排止步于此，有些不妥。小灯泡能检测出电流，但如果电路中电流过小，小灯泡不发光，这使得一些能导电的物质在接入电路中时，小灯泡不发光，这会漏掉一些能导电的物质，比如说盐水，这对很多学生造成了困扰。所以需要选择一个能检测出微小电流的检测元件。在教材第九章第二节里已经介绍了发光二极管（LED灯）及其作用，所以我们应该在原有实验的基础上添加一个改进实验，把原有电路图中的小灯泡换成LED灯，这样可以对由小灯泡检测出的不导电的物质再次检测，看这些“不导电的物质”真的不导电吗？

这样设计实验，一方面让学生们对检测物质是否导电的原理和办法更加熟悉;另一方面让学生了解哪些物质导电，哪些物质不导电，能够安全用电;再一方面，让学生体验探究过程，明白对任何结论都不要轻易相信，要充分分析实验过程;最后，使学生体会到要想让实验结论可信度高要尽可能选择灵敏度高的器材。

3.其他应用

除了在以上几个方面，结合LED的特点，它在初中物理实验教学中还可以有更广泛的应用。例如：在探究平面镜成像特点的实验中，可以使用“电子蜡烛”（内部有LED）;在探究凸透镜成像规律的实验中，可以利用多个LED 组合出不同的形状作为发光物体，替代之前蜡烛的作用;在研究水果电池时，可以利用LED的单向导电性判断电源的正负极;在研究电流的形成时，可以利用两个验电器（一个带电，一个不带电）和LED配合使用来观察LED瞬间发光的现象，以此来体会电荷的定向移动形成电流这一抽象概念。

三、小结

从1907年LED效应发现到1993中村修二发明高亮度蓝色LED，再到1999年1W的LED正式商业化使用，LED经历了将近一百年时间的发展。在此之前，人们一直使用的是上个世纪爱迪生发明的白炽灯泡，而白炽灯泡浪费了绝大部分能量在发热上，大概有九成的电力都被浪费。LED灯具的出现，极大地降低照明所需要的电力，同时LED具有寿命长、环保、免维护等优点，迅速取代了白炽灯的位置。2012年，中国政府宣布，全面禁止销售和进口100瓦以上的普通照明用白炽灯，陪伴老一辈中国人几十年的白炽灯走到了历史的尽头。正如在2014年诺贝尔物理学奖颁奖词中写到的那样：“白炽灯照亮20世纪，而LED将照亮21世纪。”

在近二十年的时间里，LED不仅变成了最主要的照明灯具进入生活，这几年它也开始走进初中物理实验，对于LED的使用，我们不能仅仅停留在每一个具体实验中，还要让学生们通过新发明体会科技改变世界、科技改变未来这一理念，树立积极健康的科学观，以兴趣带动学习。