發(fā)光二極管在高中物理實驗中的應(yīng)用

栗麒婷 楊建波

(晉城市第二中學(xué) 山西 晉城 048000)

1 引言

實驗是物理課的魅力所在，在物理教學(xué)中有著不可替代的重要地位.通過實驗教學(xué)不僅可以提高學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣，同時也能夠加深對物理知識的理解.自己動手開發(fā)低成本物理實驗，既可激發(fā)師生科學(xué)探究的精神，又為教學(xué)和研究創(chuàng)建了良好的平臺.本文將發(fā)光二極管應(yīng)用到高中物理實驗方面，用發(fā)光二極管及少量電學(xué)元件演示中學(xué)物理電學(xué)方面許多電現(xiàn)象的實驗，例如，電磁感應(yīng)現(xiàn)象的演示、楞次定律的演示等等.這些實驗用發(fā)光二極管的顏色、亮暗來判斷電信號的有無及方向，實驗電路簡單巧妙、性能好、功能多、實驗效果直接明了,實驗操作簡便安全可靠，這樣既節(jié)省了實驗器材，又對高中物理實驗的開發(fā)起到很大促進作用.下面就二極管電路開發(fā)高中物理實驗方面的內(nèi)容作一個探討，供各位中學(xué)物理教師參考借鑒.

2 電磁感應(yīng)現(xiàn)象實驗的開發(fā)

2.1 用途

用于高中物理中探究感應(yīng)電流的產(chǎn)生條件.

2.2 教具構(gòu)造、實物圖及電路圖

塑料管1根、線圈4個、發(fā)光二極管4個、磁鐵1個.電磁感應(yīng)教具實物圖與原理圖如圖1和圖2所示.

圖1 電磁感應(yīng)教具實物圖

圖2 電磁感應(yīng)教具原理圖

2.3 原理

感應(yīng)電流的產(chǎn)生條件：穿過閉合導(dǎo)體回路的磁通量發(fā)生變化.只要穿過導(dǎo)體閉合回路的磁通量發(fā)生變化，閉合電路中就有感應(yīng)電流.線圈與二極管組成閉合導(dǎo)體回路，磁鐵通過線圈時，穿過閉合導(dǎo)體回路的磁通量發(fā)生變化，產(chǎn)生感應(yīng)電流，二極管發(fā)光.

2.4 使用方法

(1)將柱形磁鐵放入纏有4個線圈的塑料管中，使磁鐵在塑料管中上下運動，觀察二極管發(fā)光情況；

(2)將柱形磁鐵放入纏有4個線圈的塑料管中，使磁鐵在塑料管中左右運動，觀察二極管發(fā)光情況，加快磁鐵的運動，觀察二極管發(fā)光情況；

(3)根據(jù)觀察到的現(xiàn)象思考二極管發(fā)光的原因，得出實驗結(jié)論.

2.5 電磁感應(yīng)教具的創(chuàng)新之處及使用效果

有趣的電磁感應(yīng)現(xiàn)象多種多樣，如果能把這部分內(nèi)容結(jié)合到高中物理課堂上來，會十分有趣，能夠激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣.在一根塑料管上纏繞4個線圈匝數(shù)不等的線圈，每個線圈上串有1個發(fā)光二極管.當(dāng)磁鐵在塑料管中上下或左右搖晃時，線圈上的二極管依次發(fā)光，磁鐵運動的越快，二極管發(fā)光變化越快.可以用此教具來讓學(xué)生進一步理解感應(yīng)電流的產(chǎn)生條件并引出下一節(jié)楞次定律——磁鐵進線圈和出線圈時穿過閉合回路的磁通量都會發(fā)生變化，都會產(chǎn)生感應(yīng)電流，究竟是進線圈還是出線圈時產(chǎn)生的感應(yīng)電流使二極管發(fā)光呢?可以設(shè)置一個懸念，為下一節(jié)的學(xué)習(xí)埋下伏筆.

2.6 注意事項與維護

(1)插入或拔出磁鐵時，動作要快，插入或拔出磁鐵越快，二極管發(fā)光越明顯；

(2)磁鐵作為強磁材料，有硬、脆、磁場強的特性，要輕取輕放，磁鐵本身或與其他鐵器相吸或分離時，不可沖擊，否則易造成因碰撞而損壞磁鐵或夾傷手指；

(3)發(fā)光二極管固定在線圈上裸露在外，保存時應(yīng)注意將塑料管固定，盡量使二極管不接觸其他物體，否則容易出現(xiàn)二極管不亮的問題.

德興銅礦大山選廠的工藝流程經(jīng)過多次技術(shù)改造，目前生產(chǎn)采用等可浮浮選工藝流程［5-7］。此次試驗研究基于大山廠現(xiàn)有工藝流程進行，粗選段采用一段磨礦、兩次粗選，其中粗選I作業(yè)采用選擇性捕收劑對銅、鉬目的礦物進行等可浮浮選回收，粗選I的泡沫直接精選后獲得銅精礦1；粗選II作業(yè)采用黃藥類捕收劑進行強化捕收，增加銅、鉬回收率，粗選II的泡沫進入二段磨礦，然后進行銅硫分離，精選后得到銅精礦2，精掃選后得到尾礦2（生產(chǎn)上進入選硫作業(yè)獲得硫精礦）。

3 楞次定律實驗的開發(fā)

3.1 用途

用于高中物理中探究楞次定律.

3.2 教具構(gòu)造、實物圖及電路圖

楞次定律說明裝置1個,線圈1個,磁鐵1個,自制電路板1個(包括兩個顏色不同的發(fā)光二極管).楞次定律說明裝置圖與電路圖如圖3和圖4所示，圖5為楞次定律課本實驗裝置與開發(fā)實驗裝置對比圖.

圖3 楞次定律說明裝置圖

圖4 楞次定律說明裝置電路圖

圖5 楞次定律課本實驗裝置與開發(fā)實驗裝置對比圖

3.3 原理

楞次定律：感應(yīng)電流的磁場總要阻礙引起感應(yīng)電流的磁通量的變化.

3.4 使用方法

(1)對發(fā)光二極管的顏色與電流方向的對應(yīng)關(guān)系進行說明；

(2)將N極插入線圈，觀察哪個發(fā)光二極管亮，畫出草圖，進行標(biāo)注并記錄相關(guān)信息；

(3)再將N極拔出線圈，S極插入、拔出線圈，重復(fù)步驟(2)進行記錄；

(4)將得到的信息進行整理并嘗試分析得出楞次定律.

3.5 自制教具的創(chuàng)新之處及使用效果

楞次定律實驗在課本中有實驗裝置，是將一個線圈和電流表通過導(dǎo)線組成閉合回路，磁鐵插入或拔出線圈，感應(yīng)電流的方向不同.此教具考慮用反向并聯(lián)的發(fā)光二極管焊接板來代替電流表，用二極管發(fā)出不同顏色的光來代替電流表指針的左右偏轉(zhuǎn).這樣做一方面來看，顏色的變化更能吸引學(xué)生的注意，另一方面，在設(shè)置好的情況下，可以直接用燈的顏色來表示電流方向，省去交代電流的流向與電流表指針偏轉(zhuǎn)方向的關(guān)系.

3.6 注意事項與維護

(1)插入或拔出磁鐵時，動作要快，插入或拔出磁鐵越快，二極管發(fā)光越明顯；

(2)磁鐵作為強磁材料，有硬、脆、磁場強的特性，要輕取輕放，磁鐵本身或與其他鐵器相吸或分離時，不可沖擊，否則易造成因碰撞而損壞磁鐵或夾傷手指；

(3)自制說明裝置的銅絲連接部分易變形，使用和保存時需注意.

4 電容器充放電的演示實驗

4.1 用途

用于高中物理中演示電容器的充放電.

4.2 教具構(gòu)造、實物圖及電路圖

電池盒1個,1.5 V干電池4節(jié)、自制電路板1個(包括兩個顏色不同的發(fā)光二極管)，2 200 μF的電容器1個.

圖6 電容器充放電實物及原理圖

4.3 原理

電容器充電過程中，充電電流由大變??；放電過程中，放電電流由大變小.充電電流和放電電流方向相反.電容器充電時儲存電能，放電時釋放所儲存的電能.

4.4 使用方法

(1)將4節(jié)干電池放入電池盒中，兩根導(dǎo)線分別接到電池盒的兩個電極；

(2)將開關(guān)撥向上方，電容器充電，紅色的二極管發(fā)光并慢慢變暗直至熄滅；

(3)將開關(guān)撥向下方，電容器放電，綠色的二極管發(fā)光并慢慢變暗直至熄滅.

4.5 自制教具的創(chuàng)新之處及使用效果

電容器的充放電在實驗室是用演示電表指針的偏轉(zhuǎn)來演示的，演示電表較笨重，不易攜帶，用發(fā)光二極管較輕便，容易攜帶；用顏色的變化來代替指針的偏轉(zhuǎn)，更能吸引學(xué)生的注意.

4.6 注意事項與維護

電路板較脆弱，易損壞，存放、拿取和使用的時候需謹(jǐn)慎.

5 結(jié)束語

通過以上實驗的開發(fā)，我們得到了啟發(fā).上述實驗只是對高中物理電學(xué)方面部分實驗的開發(fā).電學(xué)方面還有許多實驗可以開發(fā)，比如電磁振蕩的演示實驗、交流電產(chǎn)生的演示實驗、溫度影響電阻率的實驗、斷電自感的實驗、互感現(xiàn)象的演示等等.如果我們開動腦筋繼續(xù)研究，還可以對中學(xué)物理力、熱、電、光等方面的許多實驗進行開發(fā).它的優(yōu)點是：電路簡單，器件少，安裝方便、安全可靠、演示效果明顯，既可激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，還可節(jié)省大量的較笨重的儀器和器材，又完成了中學(xué)物理實驗的內(nèi)容，大大提高及改進了中學(xué)物理實驗教學(xué)水平.這些實驗教具自己動手用簡單的材料就可以制成，成本較低，有廣泛的推廣意義.