李小波 張卓

一、器材介紹

LED是發(fā)光二極管，是20世紀(jì)中期發(fā)展起來的新技術(shù)。它依靠半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)中的電子通過勢(shì)壘產(chǎn)生的能量遷越直接發(fā)光。發(fā)光二極管的核心部分是由p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體組成的晶片，在p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體之間有一個(gè)過渡層，稱為p-n結(jié)。在某些半導(dǎo)體材料的PN結(jié)中，注入的少數(shù)載流子與多數(shù)載流子復(fù)合時(shí)會(huì)把多余的能量以光的形式釋放出來，從而把電能直接轉(zhuǎn)換為光能。PN結(jié)加反向電壓，少數(shù)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。 當(dāng)它處于正向工作狀態(tài)時(shí)（即兩端加上正向電壓），電流從LED陽(yáng)極流向陰極時(shí)，半導(dǎo)體晶體就發(fā)出從紫外到紅外不同顏色的光線，光的強(qiáng)弱與電流有關(guān)。

通過LED制作的燈具由于發(fā)光過程不產(chǎn)生熱量，能量轉(zhuǎn)換效率接近百分之百，壽命超長(zhǎng)，是照明技術(shù)的發(fā)展方向。20世紀(jì)60年代，科技工作者利用半導(dǎo)體PN結(jié)發(fā)光的原理，研制成了LED發(fā)光二極管。當(dāng)時(shí)研制的LED，所用的材料是GaASP，其發(fā)光顏色為紅色。經(jīng)過近30年的發(fā)展，大家十分熟悉的LED，已能發(fā)出紅、橙、黃、綠、藍(lán)等多種色光，然而照明需用的白色光LED僅在2000年以后才發(fā)展起來。

由于LED具有節(jié)能環(huán)保、使用壽命長(zhǎng)、高亮度和低熱量等特點(diǎn)，在現(xiàn)代人們的實(shí)際生活中得到了了廣泛的應(yīng)用。而在我們初中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，LED也逐漸走入了課堂，并發(fā)揮了良好的效果。

二、LED燈在教學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用實(shí)例

1.同一物質(zhì)的導(dǎo)電性能是否會(huì)發(fā)生改變

在北京市義務(wù)教育課程改革實(shí)驗(yàn)教材實(shí)驗(yàn)本物理課本9年級(jí)（北京師范大學(xué)出版社）第一章第二節(jié) 《探究不同物質(zhì)的導(dǎo)電性能》中有如圖1所示的實(shí)驗(yàn)，

教材借此實(shí)驗(yàn)來說明絕緣體在一定的條件下會(huì)變成導(dǎo)體。在實(shí)際教學(xué)中，出于實(shí)驗(yàn)安全考慮，我們從沒有采用過圖1的實(shí)驗(yàn)方式來講解這一知識(shí)點(diǎn)。

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

受到教材自身改變的啟發(fā)，LED開始走進(jìn)了我們的課堂。

2.探究不同物質(zhì)的導(dǎo)電性能

圖3是北京市教育科學(xué)研究院編寫的義務(wù)教育教科書物理九年級(jí)（全一冊(cè)）（北京師范大學(xué)出版社）第一章第三節(jié)《探究不同物質(zhì)的導(dǎo)電性能》中研究不同物質(zhì)的導(dǎo)電性能時(shí)所采用的實(shí)驗(yàn)電路圖。

教材中以小燈泡作檢測(cè)元件，檢測(cè)電路中是否有電流。學(xué)生剛剛開始認(rèn)識(shí)電路，最熟悉的用電器即是小燈泡，已經(jīng)體驗(yàn)到有電流通過小燈泡，小燈泡會(huì)發(fā)光，所以小燈泡一定會(huì)是首先想到的判斷不同物質(zhì)的導(dǎo)電性能的檢測(cè)元件。但教材安排止步于此，有些不妥。小燈泡能檢測(cè)出電流，但如果電路中電流過小，小燈泡不發(fā)光，這使得一些能導(dǎo)電的物質(zhì)在接入電路中時(shí)，小燈泡不發(fā)光，這會(huì)漏掉一些能導(dǎo)電的物質(zhì)，比如說鹽水，這對(duì)很多學(xué)生造成了困擾。所以需要選擇一個(gè)能檢測(cè)出微小電流的檢測(cè)元件。在教材第九章第二節(jié)里已經(jīng)介紹了發(fā)光二極管（LED燈）及其作用，所以我們應(yīng)該在原有實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上添加一個(gè)改進(jìn)實(shí)驗(yàn)，把原有電路圖中的小燈泡換成LED燈，這樣可以對(duì)由小燈泡檢測(cè)出的不導(dǎo)電的物質(zhì)再次檢測(cè)，看這些“不導(dǎo)電的物質(zhì)”真的不導(dǎo)電嗎？

這樣設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，一方面讓學(xué)生們對(duì)檢測(cè)物質(zhì)是否導(dǎo)電的原理和辦法更加熟悉;另一方面讓學(xué)生了解哪些物質(zhì)導(dǎo)電，哪些物質(zhì)不導(dǎo)電，能夠安全用電;再一方面，讓學(xué)生體驗(yàn)探究過程，明白對(duì)任何結(jié)論都不要輕易相信，要充分分析實(shí)驗(yàn)過程;最后，使學(xué)生體會(huì)到要想讓實(shí)驗(yàn)結(jié)論可信度高要盡可能選擇靈敏度高的器材。

3.其他應(yīng)用

除了在以上幾個(gè)方面，結(jié)合LED的特點(diǎn)，它在初中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中還可以有更廣泛的應(yīng)用。例如：在探究平面鏡成像特點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)中，可以使用“電子蠟燭”（內(nèi)部有LED）;在探究凸透鏡成像規(guī)律的實(shí)驗(yàn)中，可以利用多個(gè)LED 組合出不同的形狀作為發(fā)光物體，替代之前蠟燭的作用;在研究水果電池時(shí)，可以利用LED的單向?qū)щ娦耘袛嚯娫吹恼?fù)極;在研究電流的形成時(shí)，可以利用兩個(gè)驗(yàn)電器（一個(gè)帶電，一個(gè)不帶電）和LED配合使用來觀察LED瞬間發(fā)光的現(xiàn)象，以此來體會(huì)電荷的定向移動(dòng)形成電流這一抽象概念。

三、小結(jié)

從1907年LED效應(yīng)發(fā)現(xiàn)到1993中村修二發(fā)明高亮度藍(lán)色LED，再到1999年1W的LED正式商業(yè)化使用，LED經(jīng)歷了將近一百年時(shí)間的發(fā)展。在此之前，人們一直使用的是上個(gè)世紀(jì)愛迪生發(fā)明的白熾燈泡，而白熾燈泡浪費(fèi)了絕大部分能量在發(fā)熱上，大概有九成的電力都被浪費(fèi)。LED燈具的出現(xiàn)，極大地降低照明所需要的電力，同時(shí)LED具有壽命長(zhǎng)、環(huán)保、免維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，迅速取代了白熾燈的位置。2012年，中國(guó)政府宣布，全面禁止銷售和進(jìn)口100瓦以上的普通照明用白熾燈，陪伴老一輩中國(guó)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(xué)獎(jiǎng)?lì)C獎(jiǎng)詞中寫到的那樣：“白熾燈照亮20世紀(jì)，而LED將照亮21世紀(jì)。”

在近二十年的時(shí)間里，LED不僅變成了最主要的照明燈具進(jìn)入生活，這幾年它也開始走進(jìn)初中物理實(shí)驗(yàn)，對(duì)于LED的使用，我們不能僅僅停留在每一個(gè)具體實(shí)驗(yàn)中，還要讓學(xué)生們通過新發(fā)明體會(huì)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(xué)觀，以興趣帶動(dòng)學(xué)習(xí)。