中學物理實驗中發光二極管及激光二極管的應用

王佳星

摘 要： 在光電產品之中，發光型和激光型二極管科技含量比較高，這兩種二極管不僅具有普通二極管的特征、性能，而且相比普通二極管其工作電流更小、壽命更長、發光效率更高、色光也更艷麗。通過這兩種類型二極管可以使電流流向、單方向導電性能和微電流產生的變化等得以完美體現，作者對中學階段的一些物理實驗進行了部分改進探討。

關鍵詞： 中學物理 物理實驗 發光二極管 激光二極管

對于物理實驗而言，一般采用白熾燈、鈉燈、低壓汞燈及氦氖激光器等作為光源。目前，發光型二極管（即通常所說的LED）、激光型二極管（即通常所說的LD）這兩種半導體形式的光源構造方面十分特殊，在物理實驗課程中考慮用這兩種光源代替傳統類型的光源，實踐證明其效果比其他光源更直觀和完美。我在以下幾個實驗中進行了探討改進：

一、 利用發光二極管進行實驗改進

1.改進凸透鏡成像的規律實驗

對于發光二極管而言，其具有發光率強、工作電流范圍廣、光色豐富、成本低廉等特性。結合這些特點，可以利用二極管對一些實驗進行改進。比如：可以利用多支發光二極管取代蠟燭作為光源，其效果會得到很大程度的提升。在改進時，選擇九個統一顏色的發光二極管，將其排列于同一個平面之上。再通過在每一個發光二極管上串聯一個5Ω的限流電阻，為發光二極管提供6V的電壓，并組成一個相應的電路圖。當完成二極管拼裝后，將其安裝于一塊事先準備好的塑料板之上，再將其固定于傳統凸透鏡成像實驗器材上，取代原先蠟燭的位置。當接通電源之后，其發光二極管光源會呈現出F字形，而且其發光效果非常理想，讓我們在觀察成像效果時更明顯。

2.改進玻璃變導體實驗

在進行學習影響電阻大小的因素知識過程中，在老師的指導下開展了玻璃變導體實驗。在與幾名學生討論后發現，可以利用五只統一顏色的高亮度發光二極管及一支9Ω的限流電阻進行串聯。完成串聯之后，接通6V直流電源來進行觀察，發現其二極管并不會發光，這就可以證明玻璃并不具備導電的性質，也就是老師所教授的絕緣體。之后可以利用酒精燈對實驗所用的玻璃燈芯進行加熱后再觀察。發現在加熱后剛才所串聯好的發光二極管開始發出亮光，由此證明玻璃燈芯開始導電，讓先前的絕緣體成了導體。

二、LED在中學階段物理實驗學習中的相關應用

1.對LED具有的單方向導電性能進行判斷的實驗

圖三是對LED在單方向導電性能方面的實驗電路圖：采用3伏電壓，電源類型為直流電，進行正向連接的時候，也就是說紅線接正極，黑線接負極，則D1進行發光；反接則D2進行發光，由此可見，LED具備單方向導電性能。

2.楞次定律實驗

先對螺線管進行纏繞，繞線要求高于一萬匝，裹緊后貼上白紙，標注纏繞方向，再把引線連上LED。依據螺線管具有的內徑大小選擇幾個條形磁鐵，再把這些磁鐵通過透明膠帶進行固定。進行實驗的時候，把磁鐵北極放進螺線管里面，則D2散發綠光，可以得出此時螺線管已形成感應電流，且可以對其方向進行判斷，利用右手定則判斷磁場方向。如果將磁鐵取出，則D1散發紅色的光，也能夠對磁場方向進行判斷，從中看出感應電流產生的磁場對于螺線管里面的磁通量造成的阻礙大小，進而得出機械能向電能進行轉化及感應電流產生的磁場會阻礙磁通量變化的結論。

3.電容進行充放電方面的實驗

在電容進行充放電相關實驗中，電壓為3伏，電源形式為直流電，電容C的數值為2200微法，耐壓大于 3 伏，兩個二極管D1和D2分別發出紅色和綠色的光，控制電源的開關K類型是單刀雙擲。在實驗過程中，先將 K 推到“1”的位置，使 C處于充電狀態，這個時候D1散發紅光接著熄滅，由此可見其充電電流先大后小。再把K推到“2”的位置，C進行放電，此時D2散發綠光接著熄滅，由此可見其放電電流也是先大后小。通過對電流流向進行比較可知，充電時和放電時其方向恰好相反，且通過D2散發綠光可知，電容器進行充電的時候具有儲電功能并在放電的時候為D2供能。

三、激光二極管在干涉實驗中的應用

在開展此實驗的過程中，主要針對的是共陽極激光二極管。激光二極管諧振腔中有兩個諧振腔所組成，當激光二極管的光源通過反饋回到LD上時，其通過準直透鏡所形成的光束直接射在透鏡上。LD（半導體激光器）所射出的光束可以通過已知厚度d而且表面較為玷污反射鏡，這樣的過程可以形成等傾干涉測量，根據邁克耳孫干涉原理，在進行實驗時所得出的數據波長為 783nm。這里值得一提的是，在利用激光二極管開展實驗時，必須針對其性能參數進行非常仔細的分析和了解，這樣才能確保實驗所得出的數據的精準性。

四、結語

伴隨LED和LD相關技術的發展，由其構成的半導體形式光源不但在功能方面能夠對傳統類型光源取而代之，還因為其獨特的構造形式，在實驗過程中比傳統類型光源產生的效果更優越。與此同時，這種類型的光源具有體積比較小、發光率非常高、使用壽命很長而且價格比較便宜等許多優點。因此，可以在中學階段物理實驗中大力推行這種光源。

參考文獻：

[1]李月鋒，黃耀清，王歡.不同電流下發光二極管溫度和光譜特性的實驗研究[J].大學物理實驗，2013，（02）.

[2]劉一兵，劉慧熒.高亮度發光二極管（HB—LED）及應用概況[J].湖南理工學院學報（自然科學版）， 2007，（02）.