發(fā)光二極管在高中物理低成本自制教具中的妙用

丁光潮 王修權(quán)

(1. 甘肅省永昌縣第七中學(xué),甘肅 永昌 737200;2. 甘肅省永昌縣第一高級(jí)中學(xué),甘肅 永昌 737200)

動(dòng)手開發(fā)低成本自制教具及物理實(shí)驗(yàn)，既激發(fā)了師生科學(xué)探究的精神，又為教學(xué)和研究創(chuàng)建了良好的平臺(tái)．筆者在研發(fā)與電磁感應(yīng)相關(guān)的自制教具時(shí)，發(fā)現(xiàn)在電磁感應(yīng)現(xiàn)象、楞次定律等實(shí)驗(yàn)中，發(fā)光二極管能起到許多獨(dú)特的作用。這些實(shí)驗(yàn)可以利用發(fā)光二極管所發(fā)光顏色、亮暗來(lái)判斷電流的有無(wú)及方向，實(shí)驗(yàn)電路簡(jiǎn)單巧妙、性能好、功能多，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象直觀明了，操作簡(jiǎn)便、安全、可靠。現(xiàn)結(jié)合幾個(gè)自制教具，探討發(fā)光二極管的作用。

1 楞次定律演示儀1

圖1

在電磁感應(yīng)現(xiàn)象和楞次定律的教學(xué)中，筆者自制了楞次定律演示儀，實(shí)驗(yàn)原理如圖1所示，該儀器主要由發(fā)光二極管、線圈、強(qiáng)磁鐵、電流表構(gòu)成。如圖2所示,當(dāng)條形磁鐵N極插入(或拔出)螺線管時(shí)，通過(guò)螺線管的磁通量發(fā)生了變化，螺線管中將產(chǎn)生感應(yīng)電流，根據(jù)藍(lán)、綠二極管發(fā)光可以判斷感應(yīng)電流的方向，再由安培定則判斷感應(yīng)電流的磁場(chǎng)方向，并記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果；將條形磁鐵S極插入(或拔出)螺線管，再次實(shí)驗(yàn)并記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果。通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析、比較，總結(jié)出楞次定律。

圖2

該演示儀主要利用了發(fā)光二極管的單向?qū)щ娦?，同時(shí)也利用了其亮度強(qiáng)弱與電流大小之間的關(guān)系。它不僅可以演示、探究感應(yīng)電流的方向，還可通過(guò)對(duì)比分析磁鐵快速插入螺線管和緩慢插入螺線管時(shí)發(fā)光二極管的亮度的不同，探究感應(yīng)電流大小的影響因素。

2 楞次定律演示儀2

楞次定律中的“阻礙”不是阻止，阻礙過(guò)程是一個(gè)能量轉(zhuǎn)化的過(guò)程，為幫助學(xué)生更好地理解“阻礙”的深層次含義，筆者用生活中常見(jiàn)的物品自制第二款楞次定律演示儀。

該儀器的主要制作材料為：透明加厚塑料(90cm×18cm)兩塊、鋁環(huán)(取自于廢舊燈具)6只、永磁汝鐵硼強(qiáng)磁鐵(D25×10mm)4只、發(fā)光二極管兩只、細(xì)木棒兩根(10cm)、玻璃珠、銅絲等。在遠(yuǎn)離鋁環(huán)的一端纏繞線圈500匝左右，并與兩只發(fā)光二極管串聯(lián)在一起，這兩只發(fā)光二極管的極性相反、并聯(lián)在一起。

如圖3所示,將整個(gè)裝置豎直放置，將4只磁鐵放在一起，從鋁環(huán)上方釋放，二極管發(fā)光，表明在回路中有了電流，從能量的角度去分析，在此過(guò)程中將一部分重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為電能，而能量的轉(zhuǎn)化需要力做功去完成，教師引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步分析可知：磁鐵下降過(guò)程中克服安培力做功，這是一個(gè)能量轉(zhuǎn)化的過(guò)程。該演示儀用線圈與發(fā)光二極管串聯(lián)，當(dāng)磁鐵穿過(guò)線圈時(shí)，二極管發(fā)光，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，也能很好地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

圖3

3 斷電自感演示儀

自感實(shí)驗(yàn)是高中一個(gè)很重要的物理實(shí)驗(yàn)，利用發(fā)光二極管將原電路加以改進(jìn)就可以顯示電流的方向，能使實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象清晰明了。實(shí)驗(yàn)電路如圖4所示，實(shí)驗(yàn)裝置如圖5所示。該演示儀制作材料為：鎮(zhèn)流器、發(fā)光二極管、干電池等。

圖4

圖5

閉合電鍵K，二極管D1發(fā)光，斷開電鍵K,鎮(zhèn)流器中會(huì)產(chǎn)生自感電動(dòng)勢(shì)，電流通過(guò)L→D2→L形成回路，二極管D2發(fā)光，二極管D1熄滅，由此可以反映出電流的方向，演示斷電自感現(xiàn)象。

4 電容器充放電演示儀

演示儀的電路如圖6所示,實(shí)驗(yàn)裝置如圖7所示。選用電容較大(1000μF以上)的電解電容器，這樣才能使發(fā)光二極管有足夠的發(fā)光強(qiáng)度，保證實(shí)驗(yàn)的可視性。D1和D2分別選用額定電流較大的黃色和綠色的發(fā)光二極管，以區(qū)分充、放電的電流方向。閉合電鍵K2給電容器C充電，發(fā)光二極管D2發(fā)光，然后逐漸熄滅，發(fā)光二極管D1不亮；充好電后，斷開K2、閉合K1，電容器C放電，發(fā)光二極管D1發(fā)光,二極管D2不亮，在電容器C放電過(guò)程中發(fā)光二極管D1逐漸熄滅。充、放電時(shí)不同的發(fā)光二極管發(fā)光,顯示出充、放電的電流方向不同，實(shí)驗(yàn)電路簡(jiǎn)單、現(xiàn)象明顯。

圖6

圖7

5 二極管的直接應(yīng)用

5.1 交流發(fā)電機(jī)中顯示交流電的方向和強(qiáng)弱

交流發(fā)電機(jī)在工作時(shí),線圈每通過(guò)中性面一次，電流方向就改變一次。在許多發(fā)電機(jī)的模型中(如J2417)用的都是小燈泡,只能看出是否有電流通過(guò),不能看出電流方向的變化。為克服這種不足，可以將小燈泡換成發(fā)光二極管。如圖8所示，將兩只發(fā)光二極管一只正接、一只反接，在發(fā)電機(jī)工作時(shí)兩只二極管交替發(fā)光，可演示電流方向的變化，能見(jiàn)度較好。

圖8

手搖轉(zhuǎn)速加快時(shí)，二極管的亮度增大，同時(shí)二極管“一閃一閃”的頻率也加快，由此說(shuō)明，交流發(fā)電機(jī)的交流電頻率與手搖轉(zhuǎn)速有關(guān)，交流電流的大小也與轉(zhuǎn)速有關(guān)。

5.2 用于歐姆表測(cè)量電阻

多用表的使用是高中物理教學(xué)難點(diǎn)，特別是用歐姆擋測(cè)量電阻時(shí)，學(xué)生在選擋問(wèn)題上存在困惑。用歐姆表測(cè)量發(fā)光二極管電阻時(shí)，通過(guò)對(duì)比正向電阻和反向電阻，特別是測(cè)量正向電阻時(shí)二極管還會(huì)發(fā)光，可激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，學(xué)生就會(huì)在探究實(shí)踐中掌握歐姆表的選檔原則。