李 宏，劉 穎，谷建生

（華北理工大學 理學院，河北 唐山063000）

大學物理教學的良性發(fā)展，需要進行合理的教學設計。很多高校大學物理教師在大學物理教學改革方面，做出了嘗試和研究，如在大學物理教學中融入科研工作的介紹，把前沿研究領域作為窗口引入大學物理教學等，并在發(fā)表的論文中談及體會、收獲和教學效果［1－2］。

大學物理教學除了經典知識的系統(tǒng)傳授，還需要把物理學界的重要前沿信息通過教學及時傳播。本文從2014年Nobel物理學獎入手，設計一個結合物理學熱點問題的大學物理教學案例。物理學推動了人類科技的發(fā)展，物理學的熱點問題也在不斷地推陳出新。物理學界的熱點問題理所當然地和每年頒發(fā)的諾貝爾物理學獎不無關聯(lián)。2014年諾貝爾物理學獎授予了藍光LED（全稱為Light Emitting Diode，即發(fā)光二極管）的發(fā)明者，以表彰赤崎勇、天野浩和中村修二這些科學家對人類照明事業(yè)的巨大貢獻。為此我從2014年的諾貝爾物理學獎入手，加之多年對照明進行研究的知識積累，精心設計了一堂結合物理學熱點問題的大學物理案例課。

課程講授的第一步，我先給同學摘讀了《科技日報》刊登的題為“藍光LED引發(fā)第二次照明革命”的文章，文中提到：“自提出半導體PN結發(fā)光理論的1907年，到隨處可見LED技術應用的今天，已經歷時一個多世紀，期間在上世紀70年代末期，已經研發(fā)出了紅、橙、黃、綠、翠綠等顏色的LED。由于紅、綠、藍是光的三原色，在藍光LED沒有問世以前，藍色光的缺失，使得人工照明的白色光源總是獲得無望。借用藍光LED，白光以新的方式被創(chuàng)造出來。極大地拓寬了LED的應用領域，使LED全彩色顯示、LED照明應用等成為現實?！薄笆褂肔ED燈，我們可以擁有更持久和高效的燈光代替原來的光源，這不僅能為人類節(jié)省大量能源，也能照亮全球更多地方。世界上缺乏電網的人口將超過15億，LED燈的出現給他們帶來了希望，因為LED的低功耗，一些當地的廉價太陽能就足以為其供電。藍光LED給人類帶來了極大的福祉，也實現了諾貝爾獎創(chuàng)始人阿爾弗雷德·諾貝爾為人類造福的遺愿，得獎可謂實至名歸?！薄鞍谉霟粽樟亮?0世紀，那么21世紀將是被LED燈照亮的。更是一語道破LED在人類文明發(fā)展進程中獨樹一幟的作用和它無可比擬的強大生命力?！?/p>

“照明”是2014年諾貝爾物理學獎中的關鍵熱詞之一，物理學推動了人類不可或缺的照明技術的發(fā)展，也恰恰體現了物理學為人類造福的思想和初衷。對照明這一主題做了這樣的鋪墊之后，可以順理成章地啟發(fā)同學思考下面的問題：人類照明是怎么發(fā)展起來的？目前我們常用的照明光源是怎樣發(fā)出可見光的？各自涉及到物理學的哪些經典理論？為什么LED會成為未來照明的主力軍？以下是就這些問題的逐一展開和討論所做的教學設計。

一、人類照明發(fā)展史簡介

照明的發(fā)展可以追溯到遠古時代，人類最早依賴于太陽輻射的可見光，日出而作，日落而息。隨著人類文明進一步發(fā)展，僅僅自然光的照明已無法滿足人們生活、生產的需要。用人工的方法產生可見光的愿望，促成了一個新的產業(yè)——光源與照明。從1879年愛迪生發(fā)明的第一只白熾燈，到現在的LED照明，人們不斷研究出產生可見光的新方法，基于不同發(fā)光原理研制出各種光源產品，使人們的照明越來越高效，也越來越舒適了。

第一代光源以基于熱輻射發(fā)光的白熾燈為代表；第二代光源以基于原子激發(fā)輻射發(fā)光的熒光燈為代表；第三代光源主要是一些高氣壓放電燈；第四代光源就是固體發(fā)光光源——LED。前三代光源統(tǒng)稱為傳統(tǒng)光源，第四代光源被冠以新型光源的美稱。產生可見光有不同的方式，人工可見光在照明領域被廣泛應用。對照明的發(fā)展做了粗略介紹之后，再把重點放在解析物理學知識在該學科中的體現。

二、常用照明光源的發(fā)光原理及與物理學的關聯(lián)

（一）白熾燈的發(fā)光原理——熱輻射放光

以前我們用得最多的是白熾燈，學生普遍的認知是：通電后，燈絲產生焦耳熱，將電能轉化成了熱能。那到底為什么白熾燈能發(fā)出可見光？緊接著提示學生：結合近代物理的前期量子理論中提到的黑體輻射可以做出解釋。

一切物體的分子、原子都處在不停的熱運動中，這些帶電粒子的熱運動必然導致向外發(fā)射電磁波，因為這種輻射與溫度有關，所以稱為熱輻射。關于熱輻射發(fā)光，需要追溯到黑體輻射，所謂黑體就是能夠把所有接收到的輻射全部吸收而沒有反射的物體。比如白天看到的遠處黑洞洞的窗戶，布滿煙灰的煙囪里面看進去也是漆黑一片。在實驗中是采用開有小孔的空腔作為黑體的。這時它的能量幾乎都被腔壁吸收了，因而小孔可視為反射為零的黑體。普朗克理論圓滿地解決了黑體輻射問題。1900年德國物理學家普朗克提出的量子假說，指出能量只能等于一些離散值中的一個，即諧振子的能量是量子化的［3］。

描述黑體輻射的規(guī)律主要有兩個定律，其一是斯特藩一玻爾茲曼定律，該定律指出黑體輻出度與溫度 的四次方成正比，隨著熱輻射體溫度的變化，熱輻射體會發(fā)出不同的連續(xù)光譜，溫度越高，輻射體單位面積的輻射能量越大。第二個定律是維恩位移定律，黑體輻射的峰值波長與其絕對溫度成反比，溫度越高，輻射的峰值波長也越向短波方向移動，所以不同溫度的輻射體發(fā)出的光會有很大差異。按照以上兩個定律可以分析金屬絲通電后顏色的變化。將金屬絲通電加熱，溫度低時，紅外輻射較多，大部分電能都轉化為焦耳熱，白白耗散掉了。隨溫度升高，發(fā)出可見光的比例逐漸增大，由于峰值波長不同，我們看到可見光的顏色從紅——藍——藍白，變化到白色光，不同的發(fā)光顏色與輻射體的溫度相對應，因此形象地把這一溫度稱為顏色溫度，簡稱色溫。

太陽是利用熱輻射發(fā)光的天然光源。自動門的開合就是傳感器接收到紅外輻射來控制的，還有紅外跟蹤、紅外攝像等等。傳統(tǒng)的鎢絲燈是利用熱輻射現象做成的光源。只發(fā)出紅外線的烘干燈，在工業(yè)、農業(yè)上用于材料的干燥；能夠發(fā)出可見光的燈泡用于日常的照明，由于白熾燈對電能的利用率太低，不符合當今節(jié)能的要求了，白熾燈已經逐漸淡出照明領域。這樣的介紹就算是回顧歷史。目前仍舊允許市場出售的白熾燈是光效相對較高的鹵鎢燈白熾燈。

（二）熒光燈的發(fā)光機理——原子激發(fā)輻射發(fā)光

目前室內照明較多用熒光燈，比如學校的教室、圖書館多用熒光燈管照明。長長的燈管中并沒有像白熾燈那樣在燈管內吊掛長長的燈絲，話題至此自然要提出這樣的問題——我們看到的可見光是怎么產生的？

需要提示學生，熒光燈中的汞蒸汽原子擔當了發(fā)光的重任。汞蒸汽原子發(fā)光的理論依據何在？這就自然要提到在前期量子論的內容，波爾為解釋氫原子的線狀光譜線所作的假設中提及的能級理論。原子處于一系列穩(wěn)定的能量狀態(tài)中，吸收和輻射電磁波只能在兩個定態(tài)之間以躍遷的方式進行，若兩個定態(tài)對應的能量為En和Em，且En＞Em，見圖1，則吸收或輻射的電磁波頻率 由下式決定

圖1 原子能級及躍遷示意圖

當原子吸收了足夠的能量時，就能被激發(fā)。但是處于激發(fā)態(tài)的原子是不穩(wěn)定的，它不能長久地停留在這一狀態(tài)上，在很短的時間間隔（10－8s數量級）后又要自發(fā)地返回到它的基態(tài)。原子的激發(fā)和躍遷不限于在基態(tài)和激發(fā)態(tài)之間進行，也可在一些激發(fā)態(tài)之間發(fā)生，特別將從激發(fā)態(tài)向基態(tài)躍遷所產生的輻射稱為共振輻射，處于基態(tài)的原子吸收了這一輻射之后又會被激發(fā)到同一激發(fā)態(tài)。熒光燈就是產生波長為253．7nm和185．0nm的共振輻射，其中很強的253．7nm紫外輻射，經熒光粉轉換為可見光了，因發(fā)出的光接近日光俗稱日光燈。另外再順便提一句，像路燈多用的高壓汞燈、高壓鈉燈等也主要基于原子激發(fā)輻射發(fā)光，只不過是這些燈的高氣壓放電有別于熒光燈的低氣壓放電而已。

由此可見，這些司空見慣的照明中也包含著豐富的物理理論，其實生活中處處都有物理學的身影，只要細心去發(fā)現，原來感覺空洞的理論知識，總能方便地找到實實在在的應用。

（三）電磁場激勵發(fā)光的應用

大學物理的電磁學提到電場、磁場都具有能量，麥克斯韋建立了完整的電磁學理論，變化的電場和變化的磁場可以相互激發(fā)產生電磁波。我們不妨大膽地設問，攜帶能量的電磁波能不能激發(fā)可見光呢？或者利用電磁感應現象是不是也能產生可見光呢？對科學的認知需要我們不斷地思考，不斷探尋新的解決方案。以下兩種光源成功回答了上面的兩個問題。

1微波硫燈——微波激發(fā)發(fā)光

提到微波，學生能想到家庭用的微波爐。微波的頻率在300MHz以上，而無線電波的頻率300 MHz以下。微波是電磁波譜中比紅外線波長更長的一個波段，紅外線照射下物體會越來越暖和，它是把電磁能轉化成了熱能?？梢娢⒉t正是利用微波來加熱的。

能量可以有不同的轉換方式，現在我們試圖將微波攜帶的電磁能轉化為光能，就是用電磁能來激發(fā)原子。最早利用微波激發(fā)的放電燈是紫外光源和光譜燈。紫外光源用于醫(yī)學殺菌等特殊用途。光譜燈的輻射光譜幾乎全部是原子線光譜，是原子熒光光譜分析技術中的理想光源。利用2 450MHz的微波輻射來激發(fā)石英泡殼內的發(fā)光物質硫，使它產生連續(xù)光譜用于照明，這就是成功開發(fā)出的微波硫燈。微波硫燈系統(tǒng)裝置，見圖2，其工作原理是：磁控管在直流高壓驅動下產生微波，通過波導管傳輸到諧振腔，微波在諧振腔中與裝在石英泡殼中的硫等離子體耦合，激發(fā)硫分子輻射。為了使等離子體均勻的穩(wěn)定工作，泡殼通過一馬達帶動高速旋轉。

圖2 微波硫燈系統(tǒng)裝置

這個例子啟發(fā)了學生對能量轉化更深層次的認識，同是微波，轉化為熱能是微波加熱，微波轉化為可見光就可用來照明了。

2感應燈——電磁感應發(fā)光電磁感應怎么能激勵發(fā)光呢？法拉第電磁感應定律指出，只要有變化的磁通量就有感應電動勢，這是我們熟悉的電磁感應現象。電磁感應是通過電磁場傳輸能量的一種方式，變壓器是一個實際的例子。它由鐵氧體磁芯和繞于其上的初級、次級線圈構成。通過初級線圈的電流在鐵氧體磁芯以及在其周圍感應出一個交變的電磁場，該交變電磁場又在次級線圈中感應出交變的次級電流。感應燈—無極熒光燈，見圖3，就是利用的電磁感應發(fā)光。電磁場能量的傳輸與變壓器相似，金屬蒸汽或氣體可以看作為上述的次級線圈。感應電流通過金屬蒸汽或氣體流動，被加速的自由電子在與蒸汽或氣體的原子碰撞時使它們激發(fā)到更高的能級，受激原子返回基態(tài)時發(fā)出可見光或紫外線，紫外線通過涂敷的熒光粉轉變?yōu)榭梢姽猓?］。

圖3 感應燈—無極熒光燈

電磁感應的典型應用是變壓器，很容易看到，這里的感應燈就是搬用了變壓器的能量傳輸方式。搬用得巧妙合理，也是一種很好的創(chuàng)新啊，原來創(chuàng)新也不是高不可及。

（四）激光燈——受激輻射發(fā)光

激光和照明有什么關系？先要了解激光是什么？近代物理學的內容中講到了激光。激光是在極短時間內使受激輻射的光得到雪崩式的放大而產生的，所以激光（1aser）的全稱是受激輻射光放大（1ight amplification by stimulated emission of radiation）。受激輻射的特點是躍遷所發(fā)出的光子，在頻率、相位、偏振方向、傳播方向等方面，都與原來外界輻射場的光子相同。因而激光是相干性極好的光。而沒有外界輻射場作用時，處于高能態(tài)的原子也可以躍遷至低能態(tài)，這種現象稱為自發(fā)輻射，自發(fā)輻射發(fā)出的光子的偏振方向、相位及傳播方向各不相同，即自發(fā)輻射光是非相干的。

激光怎么制造出來呢？產生激光的裝置叫激光器。激光器的三個重要的組成部分是：工作物質、諧振腔、激勵裝置，見圖4。工作物質用于激光器中受激輻射發(fā)出激光。用激勵裝置向工作物質提供能量，破壞它的熱平衡狀態(tài)，把大量原子激勵到高能態(tài)上，形成高能態(tài)上的原子數遠大于低能態(tài)上的原子數的分布，這種反常的分布稱為粒子數反轉。光學諧振腔使受激輻射遠大于自發(fā)輻射。諧振腔由反射鏡M1和部分反射鏡M2構成。M1與M2相互平行，放置在工作物質兩端，鏡面垂直于工作物質的軸線。沿軸方向傳播的受激輻射光在兩鏡之間來回反射，迅速被放大，其中一部分由M2輸出。自發(fā)輻射光不會被放大，并且偏離軸線的光經幾次反射就會逸出諧振腔。這樣就保證了從M2輸出的是方向性、相干性很好的激光束［5］。

圖4 激光器的組成

很容易由激光的產生過程得出結論，就是激光與普通光相比較有相干性好、單色性好、方向性好和能量集中的特點。激光的這些獨特性能，在很多領域得到了施展。例如激光干涉測量、激光照相、激光信息處理；激光通信；激光打孔、切割、焊接等等。在照明領域，激光用于空中光造型，演繹出豐富壯觀的畫面。一些大型的演出活動，也可以用激光來渲染熱鬧的氣氛。

三、LED——未來照明的主力軍

前面借助大學物理的理論知識解析了我們熟悉的一些照明光源，現在進入到LED的介紹。LED的問世，實現了半導體二極管的華麗轉身，使二極管由原來在電路中的一個普通元器件蛻變?yōu)樾率兰o照明領域的寵兒。藍光LED從理論的提出到研發(fā)成功，可謂千呼萬喚始出來，到如今它也只有20歲，卻引領了照明技術空前的變革。半導體二極管為什么能發(fā)光？LED的獨特魅力何在？

（一）半導體PN結發(fā)光理論

大學物理的教學內容目前大多僅僅涉及PN結單向導電性和光生伏特效應，PN結單向導電性的實際應用很多，如晶體二極管、三極管、場效應管等。光生伏特效應是利用太陽光照射PN結產生電能，如太陽能光電池。正像法拉第在奧斯特發(fā)現電能生磁的基礎上，提出磁能生電，總結出法拉第電磁感應定律。正像德布羅意用對比的方法分析問題，既然人們以前過多關注了光的波動性一面而忽視了它的粒子性，那么作為人們通常認為是粒子的電子，是否也過多關注了它的粒子性一面而忽視了它的波動性？德布羅意把愛因斯坦的光子具有波粒二象性推廣到所有的實物粒子，提出物質波的思想。科學合理的思維提示我們，按照對比的方法，既然太陽能光電池是光能轉換為電能，顯然反過來電也應該能直接轉換為光。

于是LED的發(fā)光原理就容易理解了，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結施加反向電壓時，少數載流子難以注入，故不發(fā)光。這種利用注入式電致發(fā)光原理制作的二極管叫發(fā)光二極管，通稱LED，見圖5。當它處于正向工作狀態(tài)時，電流從LED陽極流向陰極時，半導體晶體就發(fā)出從紫外到紅外不同顏色的光線，光的強弱與電流有關。正如前面《科技日報》“藍光LED引發(fā)第二次照明革命”一文中提及的，基于半導體PN結發(fā)光理論，早期就有紅、橙、黃、綠、翠綠等顏色的LED。

圖5 發(fā)光二極管

（二）LED的獨特魅力

使用LED燈，能為人類節(jié)省大量能源，LED具有很多夢幻般的優(yōu)點。

（1）光效率高：愛迪生發(fā)明的白熾燈效率約等16流明／瓦，1900年彼得·庫珀－休伊特發(fā)明的熒光燈效率達到70流明／瓦，目前的白光LED發(fā)光效率的理論值則超過300流明／瓦。

（2）光線質量高：光源光色豐富，LED光源通過改變電流、化學修飾、單色光混合等方法，可以實現可見光波段各種顏色的發(fā)光和變色，且光譜主要集中在可見光區(qū)域，基本無紫外線或紅外線輻射的干擾。根據LED光源的發(fā)光原理，LED的發(fā)光亮度或輸出光通量基本隨電流正向變化。而其工作電流在額定范圍內可大可小，因此LED光源具有良好的可調性。LED光源可實現按需照明、用亮度來控制照明。

（3）能耗?。赫彰髡紦蛘麄€電能消耗的20%—30%，而新的白光LED的能耗僅為普通燈泡的十分之一，所以，白光LED的使用，能為人類節(jié)省大量的能源。

（4）壽命長：高質量的LED的壽命長達10萬小時，而熒光燈的壽命1萬個小時，白熾燈泡的壽命僅有1000個小時。相比之下，熒光燈的壽命是其十分之一，而白熾燈的壽命為其百分之一?？梢奓ED又幫助節(jié)省了材料的消耗。

（5）無污染：由于LED光源在生產過程中無需添加金屬汞，因此LED廢棄后，不會造成汞污染，且其廢棄物幾乎可以全部回收利用，不僅節(jié)約了資源，還保護了環(huán)境。

當然也有制約LED廣泛推廣使用的瓶頸問題，像散熱問題、光衰問題、價格太高等。當前全球能源短缺，環(huán)保呼聲越來越高，LED的出現引領了照明節(jié)能的風向標。隨著LED產品的日臻完善，我們有理由相信LED照明一枝獨秀的時代不再遙遠。除了照明外，LED還能實現短距離通信，飛機、醫(yī)院、保密單位等電磁敏感區(qū)的無線通信。目前也有少量產品面世的OLED（有機發(fā)光二極管Organic Light Emitting Diode），比LED的性能更加優(yōu)越。到此為止，我們自然深信：LED燈將照亮21世紀，成為照明的主角。這呼應了2014年諾貝爾物理學獎中提出的希望。

四、結論

最后不妨針對這次案例教學設計做一個簡短的總結。現代文明對可見光的需求和依賴越來越多，人們試圖用不同的方式產生可見光。電能的輸入轉化為金屬絲的焦耳熱，實現了熱輻射發(fā)光；原子吸收能量，激發(fā)再躍遷到較低的能態(tài)，實現輻射發(fā)光；微波激勵發(fā)光，電磁感應發(fā)光，受激輻射發(fā)光，使電能的轉換效率越來越高；發(fā)光二極管一改二極管單向導通的開關作用，使載流子復合時釋放出光子，使二極管華麗轉身在照明領域扮演了新的角色，LED的節(jié)能、高效、良好光線質量和長壽命等許多夢幻般的優(yōu)勢，將擔當21世紀照明的主力。人工可見光在照明、通信、光譜分析等領域迎來了勃勃生機。更值得一提的是，生物發(fā)光技術也在研發(fā)中，生物發(fā)光的實現，又將為全人類的環(huán)保照明開辟出新的神奇天地。

一個成功的大學物理教學案例設計，要選擇引人入勝的問題作為切入點，2014年Nobel物理學獎剛剛塵埃落定，以此切入不失為一個很好的主題。這次教學設計結合了身邊觸手可及的事物——照明，使學生對物理知識有親切可信的認同。拓展的教學內容源自生活又直擊科技前沿問題，讓學生體會到單調的物理學理論實實在在的應用。像黑體輻射、原子激發(fā)輻射、電磁感應、微波激勵、激光、半導體發(fā)光，以可見光照明為載體，這些原本抽象難懂的理論不再深晦莫測。以一條照明的主線串起多個知識點，仿佛將一個個閃耀著物理學理論光芒的珍珠穿成了一串精美的項鏈，這也算是從一個新的視角對物理學知識的整理和歸納吧。

［1］寧長春，索朗桑姆．以科研工作介紹的融入促進大學物理教學［J］．大學物理，2012，31（8）：39－43．

［2］王瑞敏．以Hopfield神經網絡模型為例的大學物理教學設計［J］．大學物理，2014，33（4）：44－48．

［3］馬文蔚等．物理學（下冊）［M］．北京：高等教育出版社，2002：218－224．

［4］周太明，周詳，蔡偉新．光源原理與設計［M］．2版．上海：復旦大學出版社，2006：90－91．

［5］程守洙，江之永．普通物理學（下冊）［M］．北京：高等教育出版社，2006：274－281．