基于物理學(xué)熱點(diǎn)問(wèn)題的大學(xué)物理教學(xué)案例設(shè)計(jì)——以2014年Nobel物理學(xué)獎(jiǎng)為例

李 宏，劉 穎，谷建生

（華北理工大學(xué) 理學(xué)院，河北 唐山063000）

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

大學(xué)物理教學(xué)除了經(jīng)典知識(shí)的系統(tǒng)傳授，還需要把物理學(xué)界的重要前沿信息通過(guò)教學(xué)及時(shí)傳播。本文從2014年Nobel物理學(xué)獎(jiǎng)入手，設(shè)計(jì)一個(gè)結(jié)合物理學(xué)熱點(diǎn)問(wèn)題的大學(xué)物理教學(xué)案例。物理學(xué)推動(dòng)了人類科技的發(fā)展，物理學(xué)的熱點(diǎn)問(wèn)題也在不斷地推陳出新。物理學(xué)界的熱點(diǎn)問(wèn)題理所當(dāng)然地和每年頒發(fā)的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)不無(wú)關(guān)聯(lián)。2014年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予了藍(lán)光LED（全稱為L(zhǎng)ight 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(xué)家對(duì)人類照明事業(yè)的巨大貢獻(xiàn)。為此我從2014年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)入手，加之多年對(duì)照明進(jìn)行研究的知識(shí)積累，精心設(shè)計(jì)了一堂結(jié)合物理學(xué)熱點(diǎn)問(wèn)題的大學(xué)物理案例課。

課程講授的第一步，我先給同學(xué)摘讀了《科技日?qǐng)?bào)》刊登的題為“藍(lán)光LED引發(fā)第二次照明革命”的文章，文中提到：“自提出半導(dǎo)體PN結(jié)發(fā)光理論的1907年，到隨處可見(jiàn)LED技術(shù)應(yīng)用的今天，已經(jīng)歷時(shí)一個(gè)多世紀(jì)，期間在上世紀(jì)70年代末期，已經(jīng)研發(fā)出了紅、橙、黃、綠、翠綠等顏色的LED。由于紅、綠、藍(lán)是光的三原色，在藍(lán)光LED沒(méi)有問(wèn)世以前，藍(lán)色光的缺失，使得人工照明的白色光源總是獲得無(wú)望。借用藍(lán)光LED，白光以新的方式被創(chuàng)造出來(lái)。極大地拓寬了LED的應(yīng)用領(lǐng)域，使LED全彩色顯示、LED照明應(yīng)用等成為現(xiàn)實(shí)?！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(lái)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(wǎng)的人口將超過(guò)15億，LED燈的出現(xiàn)給他們帶來(lái)了希望，因?yàn)長(zhǎng)ED的低功耗，一些當(dāng)?shù)氐牧畠r(jià)太陽(yáng)能就足以為其供電。藍(lán)光LED給人類帶來(lái)了極大的福祉，也實(shí)現(xiàn)了諾貝爾獎(jiǎng)創(chuàng)始人阿爾弗雷德·諾貝爾為人類造福的遺愿，得獎(jiǎng)可謂實(shí)至名歸。”“白熾燈照亮了20世紀(jì)，那么21世紀(jì)將是被LED燈照亮的。更是一語(yǔ)道破LED在人類文明發(fā)展進(jìn)程中獨(dú)樹一幟的作用和它無(wú)可比擬的強(qiáng)大生命力。”

“照明”是2014年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)中的關(guān)鍵熱詞之一，物理學(xué)推動(dòng)了人類不可或缺的照明技術(shù)的發(fā)展，也恰恰體現(xiàn)了物理學(xué)為人類造福的思想和初衷。對(duì)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(xué)思考下面的問(wèn)題：人類照明是怎么發(fā)展起來(lái)的？目前我們常用的照明光源是怎樣發(fā)出可見(jiàn)光的？各自涉及到物理學(xué)的哪些經(jīng)典理論？為什么LED會(huì)成為未來(lái)照明的主力軍？以下是就這些問(wèn)題的逐一展開(kāi)和討論所做的教學(xué)設(shè)計(jì)。

一、人類照明發(fā)展史簡(jiǎn)介

照明的發(fā)展可以追溯到遠(yuǎn)古時(shí)代，人類最早依賴于太陽(yáng)輻射的可見(jiàn)光，日出而作，日落而息。隨著人類文明進(jìn)一步發(fā)展，僅僅自然光的照明已無(wú)法滿足人們生活、生產(chǎn)的需要。用人工的方法產(chǎn)生可見(jiàn)光的愿望，促成了一個(gè)新的產(chǎn)業(yè)——光源與照明。從1879年愛(ài)迪生發(fā)明的第一只白熾燈，到現(xiàn)在的LED照明，人們不斷研究出產(chǎn)生可見(jiàn)光的新方法，基于不同發(fā)光原理研制出各種光源產(chǎn)品，使人們的照明越來(lái)越高效，也越來(lái)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(chǎn)生可見(jiàn)光有不同的方式，人工可見(jiàn)光在照明領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。對(duì)照明的發(fā)展做了粗略介紹之后，再把重點(diǎn)放在解析物理學(xué)知識(shí)在該學(xué)科中的體現(xiàn)。

二、常用照明光源的發(fā)光原理及與物理學(xué)的關(guān)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(xué)生普遍的認(rèn)知是：通電后，燈絲產(chǎn)生焦耳熱，將電能轉(zhuǎn)化成了熱能。那到底為什么白熾燈能發(fā)出可見(jiàn)光？緊接著提示學(xué)生：結(jié)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(yùn)動(dòng)中，這些帶電粒子的熱運(yùn)動(dòng)必然導(dǎo)致向外發(fā)射電磁波，因?yàn)檫@種輻射與溫度有關(guān)，所以稱為熱輻射。關(guān)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(méi)有反射的物體。比如白天看到的遠(yuǎn)處黑洞洞的窗戶，布滿煙灰的煙囪里面看進(jìn)去也是漆黑一片。在實(shí)驗(yàn)中是采用開(kāi)有小孔的空腔作為黑體的。這時(shí)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(wèn)題。1900年德國(guó)物理學(xué)家普朗克提出的量子假說(shuō)，指出能量只能等于一些離散值中的一個(gè)，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(gè)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(huì)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(gè)定律是維恩位移定律，黑體輻射的峰值波長(zhǎng)與其絕對(duì)溫度成反比，溫度越高，輻射的峰值波長(zhǎng)也越向短波方向移動(dòng)，所以不同溫度的輻射體發(fā)出的光會(huì)有很大差異。按照以上兩個(gè)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(shí)，紅外輻射較多，大部分電能都轉(zhuǎn)化為焦耳熱，白白耗散掉了。隨溫度升高，發(fā)出可見(jiàn)光的比例逐漸增大，由于峰值波長(zhǎng)不同，我們看到可見(jiàn)光的顏色從紅——藍(lán)——藍(lán)白，變化到白色光，不同的發(fā)光顏色與輻射體的溫度相對(duì)應(yīng)，因此形象地把這一溫度稱為顏色溫度，簡(jiǎn)稱色溫。

太陽(yáng)是利用熱輻射發(fā)光的天然光源。自動(dòng)門的開(kāi)合就是傳感器接收到紅外輻射來(lái)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(xiàn)象做成的光源。只發(fā)出紅外線的烘干燈，在工業(yè)、農(nóng)業(yè)上用于材料的干燥；能夠發(fā)出可見(jiàn)光的燈泡用于日常的照明，由于白熾燈對(duì)電能的利用率太低，不符合當(dāng)今節(jié)能的要求了，白熾燈已經(jīng)逐漸淡出照明領(lǐng)域。這樣的介紹就算是回顧歷史。目前仍舊允許市場(chǎng)出售的白熾燈是光效相對(duì)較高的鹵鎢燈白熾燈。

（二）熒光燈的發(fā)光機(jī)理——原子激發(fā)輻射發(fā)光

目前室內(nèi)照明較多用熒光燈，比如學(xué)校的教室、圖書館多用熒光燈管照明。長(zhǎng)長(zhǎng)的燈管中并沒(méi)有像白熾燈那樣在燈管內(nèi)吊掛長(zhǎng)長(zhǎng)的燈絲，話題至此自然要提出這樣的問(wèn)題——我們看到的可見(jiàn)光是怎么產(chǎn)生的？

需要提示學(xué)生，熒光燈中的汞蒸汽原子擔(dān)當(dāng)了發(fā)光的重任。汞蒸汽原子發(fā)光的理論依據(jù)何在？這就自然要提到在前期量子論的內(nèi)容，波爾為解釋氫原子的線狀光譜線所作的假設(shè)中提及的能級(jí)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(gè)定態(tài)之間以躍遷的方式進(jìn)行，若兩個(gè)定態(tài)對(duì)應(yīng)的能量為En和Em，且En＞Em，見(jiàn)圖1，則吸收或輻射的電磁波頻率 由下式?jīng)Q定

圖1 原子能級(jí)及躍遷示意圖

當(dāng)原子吸收了足夠的能量時(shí)，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(zhǎng)久地停留在這一狀態(tài)上，在很短的時(shí)間間隔（10－8s數(shù)量級(jí)）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(jìn)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(chǎn)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(huì)被激發(fā)到同一激發(fā)態(tài)。熒光燈就是產(chǎn)生波長(zhǎng)為253．7nm和185．0nm的共振輻射，其中很強(qiáng)的253．7nm紫外輻射，經(jīng)熒光粉轉(zhuǎn)換為可見(jiàn)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(guò)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(jiàn)，這些司空見(jiàn)慣的照明中也包含著豐富的物理理論，其實(shí)生活中處處都有物理學(xué)的身影，只要細(xì)心去發(fā)現(xiàn)，原來(lái)感覺(jué)空洞的理論知識(shí)，總能方便地找到實(shí)實(shí)在在的應(yīng)用。

（三）電磁場(chǎng)激勵(lì)發(fā)光的應(yīng)用

大學(xué)物理的電磁學(xué)提到電場(chǎng)、磁場(chǎng)都具有能量，麥克斯韋建立了完整的電磁學(xué)理論，變化的電場(chǎng)和變化的磁場(chǎng)可以相互激發(fā)產(chǎn)生電磁波。我們不妨大膽地設(shè)問(wèn)，攜帶能量的電磁波能不能激發(fā)可見(jiàn)光呢？或者利用電磁感應(yīng)現(xiàn)象是不是也能產(chǎn)生可見(jiàn)光呢？對(duì)科學(xué)的認(rèn)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(gè)問(wèn)題。

1微波硫燈——微波激發(fā)發(fā)光

提到微波，學(xué)生能想到家庭用的微波爐。微波的頻率在300MHz以上，而無(wú)線電波的頻率300 MHz以下。微波是電磁波譜中比紅外線波長(zhǎng)更長(zhǎng)的一個(gè)波段，紅外線照射下物體會(huì)越來(lái)越暖和，它是把電磁能轉(zhuǎn)化成了熱能?？梢?jiàn)微波爐正是利用微波來(lái)加熱的。

能量可以有不同的轉(zhuǎn)換方式，現(xiàn)在我們?cè)噲D將微波攜帶的電磁能轉(zhuǎn)化為光能，就是用電磁能來(lái)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(xué)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(shù)中的理想光源。利用2 450MHz的微波輻射來(lái)激發(fā)石英泡殼內(nèi)的發(fā)光物質(zhì)硫，使它產(chǎn)生連續(xù)光譜用于照明，這就是成功開(kāi)發(fā)出的微波硫燈。微波硫燈系統(tǒng)裝置，見(jiàn)圖2，其工作原理是：磁控管在直流高壓驅(qū)動(dòng)下產(chǎn)生微波，通過(guò)波導(dǎo)管傳輸?shù)街C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(guò)一馬達(dá)帶動(dòng)高速旋轉(zhuǎn)。

圖2 微波硫燈系統(tǒng)裝置

這個(gè)例子啟發(fā)了學(xué)生對(duì)能量轉(zhuǎn)化更深層次的認(rèn)識(shí)，同是微波，轉(zhuǎn)化為熱能是微波加熱，微波轉(zhuǎn)化為可見(jiàn)光就可用來(lái)照明了。

2感應(yīng)燈——電磁感應(yīng)發(fā)光電磁感應(yīng)怎么能激勵(lì)發(fā)光呢？法拉第電磁感應(yīng)定律指出，只要有變化的磁通量就有感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，這是我們熟悉的電磁感應(yīng)現(xiàn)象。電磁感應(yīng)是通過(guò)電磁場(chǎng)傳輸能量的一種方式，變壓器是一個(gè)實(shí)際的例子。它由鐵氧體磁芯和繞于其上的初級(jí)、次級(jí)線圈構(gòu)成。通過(guò)初級(jí)線圈的電流在鐵氧體磁芯以及在其周圍感應(yīng)出一個(gè)交變的電磁場(chǎng)，該交變電磁場(chǎng)又在次級(jí)線圈中感應(yīng)出交變的次級(jí)電流。感應(yīng)燈—無(wú)極熒光燈，見(jiàn)圖3，就是利用的電磁感應(yīng)發(fā)光。電磁場(chǎng)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(jí)線圈。感應(yīng)電流通過(guò)金屬蒸汽或氣體流動(dòng)，被加速的自由電子在與蒸汽或氣體的原子碰撞時(shí)使它們激發(fā)到更高的能級(jí)，受激原子返回基態(tài)時(shí)發(fā)出可見(jiàn)光或紫外線，紫外線通過(guò)涂敷的熒光粉轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢?jiàn)光［4］。

圖3 感應(yīng)燈—無(wú)極熒光燈

電磁感應(yīng)的典型應(yīng)用是變壓器，很容易看到，這里的感應(yīng)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(lái)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(guān)系？先要了解激光是什么？近代物理學(xué)的內(nèi)容中講到了激光。激光是在極短時(shí)間內(nèi)使受激輻射的光得到雪崩式的放大而產(chǎn)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(diǎn)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(lái)外界輻射場(chǎng)的光子相同。因而激光是相干性極好的光。而沒(méi)有外界輻射場(chǎng)作用時(shí)，處于高能態(tài)的原子也可以躍遷至低能態(tài)，這種現(xiàn)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(lái)呢？產(chǎn)生激光的裝置叫激光器。激光器的三個(gè)重要的組成部分是：工作物質(zhì)、諧振腔、激勵(lì)裝置，見(jiàn)圖4。工作物質(zhì)用于激光器中受激輻射發(fā)出激光。用激勵(lì)裝置向工作物質(zhì)提供能量，破壞它的熱平衡狀態(tài)，把大量原子激勵(lì)到高能態(tài)上，形成高能態(tài)上的原子數(shù)遠(yuǎn)大于低能態(tài)上的原子數(shù)的分布，這種反常的分布稱為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。光學(xué)諧振腔使受激輻射遠(yuǎn)大于自發(fā)輻射。諧振腔由反射鏡M1和部分反射鏡M2構(gòu)成。M1與M2相互平行，放置在工作物質(zhì)兩端，鏡面垂直于工作物質(zhì)的軸線。沿軸方向傳播的受激輻射光在兩鏡之間來(lái)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(huì)被放大，并且偏離軸線的光經(jīng)幾次反射就會(huì)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(chǎn)生過(guò)程得出結(jié)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(diǎn)。激光的這些獨(dú)特性能，在很多領(lǐng)域得到了施展。例如激光干涉測(cè)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(lǐng)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(dòng)，也可以用激光來(lái)渲染熱鬧的氣氛。

三、LED——未來(lái)照明的主力軍

前面借助大學(xué)物理的理論知識(shí)解析了我們熟悉的一些照明光源，現(xiàn)在進(jìn)入到LED的介紹。LED的問(wèn)世，實(shí)現(xiàn)了半導(dǎo)體二極管的華麗轉(zhuǎn)身，使二極管由原來(lái)在電路中的一個(gè)普通元器件蛻變?yōu)樾率兰o(jì)照明領(lǐng)域的寵兒。藍(lán)光LED從理論的提出到研發(fā)成功，可謂千呼萬(wàn)喚始出來(lái)，到如今它也只有20歲，卻引領(lǐng)了照明技術(shù)空前的變革。半導(dǎo)體二極管為什么能發(fā)光？LED的獨(dú)特魅力何在？

（一）半導(dǎo)體PN結(jié)發(fā)光理論

大學(xué)物理的教學(xué)內(nèi)容目前大多僅僅涉及PN結(jié)單向?qū)щ娦院凸馍匦?yīng)，PN結(jié)單向?qū)щ娦缘膶?shí)際應(yīng)用很多，如晶體二極管、三極管、場(chǎng)效應(yīng)管等。光生伏特效應(yīng)是利用太陽(yáng)光照射PN結(jié)產(chǎn)生電能，如太陽(yáng)能光電池。正像法拉第在奧斯特發(fā)現(xiàn)電能生磁的基礎(chǔ)上，提出磁能生電，總結(jié)出法拉第電磁感應(yīng)定律。正像德布羅意用對(duì)比的方法分析問(wèn)題，既然人們以前過(guò)多關(guān)注了光的波動(dòng)性一面而忽視了它的粒子性，那么作為人們通常認(rèn)為是粒子的電子，是否也過(guò)多關(guān)注了它的粒子性一面而忽視了它的波動(dòng)性？德布羅意把愛(ài)因斯坦的光子具有波粒二象性推廣到所有的實(shí)物粒子，提出物質(zhì)波的思想?？茖W(xué)合理的思維提示我們，按照對(duì)比的方法，既然太陽(yáng)能光電池是光能轉(zhuǎn)換為電能，顯然反過(guò)來(lái)電也應(yīng)該能直接轉(zhuǎn)換為光。

于是LED的發(fā)光原理就容易理解了，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(lái)，從而把電能直接轉(zhuǎn)換為光能。PN結(jié)施加反向電壓時(shí)，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，見(jiàn)圖5。當(dāng)它處于正向工作狀態(tài)時(shí)，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)。正如前面《科技日?qǐng)?bào)》“藍(lán)光LED引發(fā)第二次照明革命”一文中提及的，基于半導(dǎo)體PN結(jié)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(dú)特魅力

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

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

（2）光線質(zhì)量高：光源光色豐富，LED光源通過(guò)改變電流、化學(xué)修飾、單色光混合等方法，可以實(shí)現(xiàn)可見(jiàn)光波段各種顏色的發(fā)光和變色，且光譜主要集中在可見(jiàn)光區(qū)域，基本無(wú)紫外線或紅外線輻射的干擾。根據(jù)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(nèi)可大可小，因此LED光源具有良好的可調(diào)性。LED光源可實(shí)現(xiàn)按需照明、用亮度來(lái)控制照明。

（3）能耗小：照明占據(jù)全球整個(gè)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(zhǎng)：高質(zhì)量的LED的壽命長(zhǎng)達(dá)10萬(wàn)小時(shí)，而熒光燈的壽命1萬(wàn)個(gè)小時(shí)，白熾燈泡的壽命僅有1000個(gè)小時(shí)。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?jiàn)LED又幫助節(jié)省了材料的消耗。

（5）無(wú)污染：由于LED光源在生產(chǎn)過(guò)程中無(wú)需添加金屬汞，因此LED廢棄后，不會(huì)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(hù)了環(huán)境。

當(dāng)然也有制約LED廣泛推廣使用的瓶頸問(wèn)題，像散熱問(wèn)題、光衰問(wèn)題、價(jià)格太高等。當(dāng)前全球能源短缺，環(huán)保呼聲越來(lái)越高，LED的出現(xiàn)引領(lǐng)了照明節(jié)能的風(fēng)向標(biāo)。隨著LED產(chǎn)品的日臻完善，我們有理由相信LED照明一枝獨(dú)秀的時(shí)代不再遙遠(yuǎn)。除了照明外，LED還能實(shí)現(xiàn)短距離通信，飛機(jī)、醫(yī)院、保密單位等電磁敏感區(qū)的無(wú)線通信。目前也有少量產(chǎn)品面世的OLED（有機(jī)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(jì)，成為照明的主角。這呼應(yīng)了2014年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)中提出的希望。

四、結(jié)論

最后不妨針對(duì)這次案例教學(xué)設(shè)計(jì)做一個(gè)簡(jiǎn)短的總結(jié)?，F(xiàn)代文明對(duì)可見(jiàn)光的需求和依賴越來(lái)越多，人們?cè)噲D用不同的方式產(chǎn)生可見(jiàn)光。電能的輸入轉(zhuǎn)化為金屬絲的焦耳熱，實(shí)現(xiàn)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(shí)現(xiàn)輻射發(fā)光；微波激勵(lì)發(fā)光，電磁感應(yīng)發(fā)光，受激輻射發(fā)光，使電能的轉(zhuǎn)換效率越來(lái)越高；發(fā)光二極管一改二極管單向?qū)ǖ拈_(kāi)關(guān)作用，使載流子復(fù)合時(shí)釋放出光子，使二極管華麗轉(zhuǎn)身在照明領(lǐng)域扮演了新的角色，LED的節(jié)能、高效、良好光線質(zhì)量和長(zhǎng)壽命等許多夢(mèng)幻般的優(yōu)勢(shì)，將擔(dān)當(dāng)21世紀(jì)照明的主力。人工可見(jiàn)光在照明、通信、光譜分析等領(lǐng)域迎來(lái)了勃勃生機(jī)。更值得一提的是，生物發(fā)光技術(shù)也在研發(fā)中，生物發(fā)光的實(shí)現(xiàn)，又將為全人類的環(huán)保照明開(kāi)辟出新的神奇天地。

一個(gè)成功的大學(xué)物理教學(xué)案例設(shè)計(jì)，要選擇引人入勝的問(wèn)題作為切入點(diǎn)，2014年Nobel物理學(xué)獎(jiǎng)剛剛塵埃落定，以此切入不失為一個(gè)很好的主題。這次教學(xué)設(shè)計(jì)結(jié)合了身邊觸手可及的事物——照明，使學(xué)生對(duì)物理知識(shí)有親切可信的認(rèn)同。拓展的教學(xué)內(nèi)容源自生活又直擊科技前沿問(wèn)題，讓學(xué)生體會(huì)到單調(diào)的物理學(xué)理論實(shí)實(shí)在在的應(yīng)用。像黑體輻射、原子激發(fā)輻射、電磁感應(yīng)、微波激勵(lì)、激光、半導(dǎo)體發(fā)光，以可見(jiàn)光照明為載體，這些原本抽象難懂的理論不再深晦莫測(cè)。以一條照明的主線串起多個(gè)知識(shí)點(diǎn)，仿佛將一個(gè)個(gè)閃耀著物理學(xué)理論光芒的珍珠穿成了一串精美的項(xiàng)鏈，這也算是從一個(gè)新的視角對(duì)物理學(xué)知識(shí)的整理和歸納吧。

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

［2］王瑞敏．以Hopfield神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型為例的大學(xué)物理教學(xué)設(shè)計(jì)［J］．大學(xué)物理，2014，33（4）：44－48．

［3］馬文蔚等．物理學(xué)（下冊(cè)）［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(shè)計(jì)［M］．2版．上海：復(fù)旦大學(xué)出版社，2006：90－91．

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