【文章內容簡介】 用 由于 LED 光源有著亮度高，單色性好 以及光色均勻 等優(yōu)點， 因此 在光學實驗中經常 把 LED 作為 光源。 薄透鏡焦距測定實驗 測 定 薄透鏡的焦距有多種 途徑 ，實驗室 最 常用的有自準法 以及 物距像距法。自準法是通過調 整 實驗 儀器位置，使 光源穿過透鏡后形成平行光源以 實現(xiàn) 調焦目的。 而物距像距法是 運 用一組凹透鏡和凸透鏡 來實現(xiàn)的 ，通過測出實像和虛像的 具體 位置，然后 運用高斯公式得出焦距。圖 和圖 分別為自準法和物距像距法的實驗圖。 圖 自準法測焦距 湖南科技大學本科生畢業(yè)設計（論文） 13 圖 物距像距法測焦距 在 做 “薄透鏡焦距測量”實驗 時 ， 我們 最常 用到的 光源是由 白熾燈 和透鏡構成 的平行光源。 鎢絲燈作為利用熱輻射發(fā)光的傳統(tǒng)光源，發(fā)熱量較大，為 確保燈絲在正常 工作時避免 因高溫熔斷， 該 實驗 光源的散熱 裝置 被設計成平行百葉窗式，因此在這個部分會有一些光線泄漏，從而使得 整個 實驗裝置 背景光過強， 對 實驗結果的準確性 造成了很大影響 。特別 是 當 測量透鏡 組 的 焦距時， 因為 背景光對實驗 干擾 較大，實驗的 結果 并不 令人滿意 [10]。解 決該問題 的方案是用一個半徑為 5 厘米的高亮度紅色 LED 來取代屏幕照明，并對該 LED 進行一定的 改裝 ，在 LED 的頂 部 5 毫米處橫向 切 割 環(huán)氧樹脂 外殼 ，如圖 所示，然后 用砂紙打 磨切割 面使之 平滑 。在 LED 的 工作 狀態(tài)下，磨砂面具 備 漫射光的特性，因此能夠有效減弱光學暗室的背景光，從而使實驗結果得到顯著改進。此外，因為 使用的是單色 LED，因此有效 減少 了透鏡組的色散對實驗 效果 的 干擾 。 圖 LED 加工示意圖 LED 在全息照相實驗中的應用 全息照相的應用十分廣泛，它是 一項 以干涉、衍射等光學理論為基礎的 技術 。全息圖 可 以 記載物體的全部光信息，包括物體每一處的振幅 與相位；全息圖中每個位置 都包含了物體的 具體 信息，因此全息底片的每 個角度 都能觀察到與 實物 十分相似的立體 影像 。另外，由于全息照相的記錄 與 再現(xiàn)需要使用相干性很高的光源，所以實驗室一般 使用的是 氦氖 激光。 湖南科技大學本科生畢業(yè)設計（論文） 14 全息底片 被 氦氖 激光照射 時 ， 可 以 看到 與物體十分類似 的立體 虛 像 ； 但在白光 照射時難以 再現(xiàn) ， 無論 白熾燈、 鹵鎢 燈還是低壓 汞燈 ， 都 由于 光源的單色性 與 點光源這兩 大要素 不 能同時達成 ， 再現(xiàn)效果 十分 不理想 。而 LED 在這兩 個 方面 表現(xiàn)出了自己的獨特之處 ： 首先是 其 單色性 不錯， 其次是 它 具備 特定 的發(fā)散 角 度 [11]。 使用 LED 代替 HeNe激光來再現(xiàn)物體時，其效果與在 HeNe 激光下的效果 如出一轍 ，如圖 所示。 尤其 是黃光 LED 作用 更 加 明顯 ， 而且 操作 起來 也 非常 方便 。 圖 LED 在 全息 照相中的應用 全息照相在 許多行業(yè)中 都有 運 用，但目前許多還處在起步階段。如全息通信技術，全息 顯微 技術和全息干涉技術等，隨著 生產工藝 的不斷 突破 和 革新 ，全息照相技術將在人們的生產生活中占據著越來越重要的地位， LED 在全息照相技術中的應用也 會 日益廣泛，在未來 不斷發(fā)展 的全息 科技 中， LED 必將發(fā)揮其無可替代的作用 。 分光計讀數(shù)照明 在 做 “光柵衍射” 演示 實驗 時 ， 因為受 讀數(shù)照明燈影響 較大 ， 光學暗室 內背景光變得過亮 ， 在觀察汞燈的二級譜線時 ， 由于 光譜線處于 背景 光中 難以區(qū)分，因此 想要精準地確定 光譜的坐標十分困難 ， 個別儀器甚至 不能分辨出 二級 光譜。 利用實驗提供的 交變 電源 ， 按圖 所示 電路 連結 好 LED 和電阻 R。 LED 采用 半徑為 3 毫米 的 彩色 LED ， 電阻 R 阻值一般較大，此處采 用 2 千歐 。 因為 LED 也同 一般 二極管 類似 ， 只有在 PN 結加正偏壓時才呈現(xiàn)為導通狀態(tài)， 故 該電路 等效 于半波整流電路。 圖 電路連接原理圖 湖南科技大學本科生畢業(yè)設計（論文） 15 實驗中我們 采用 的 發(fā) 光二極管 半主光束角 不大于 3176。， 因為 LED 具有 良好的聚光性能 ，在正常工作 時 ， 光源距光屏 約為 25 厘米， 聚光區(qū)光斑半徑 小于 1 厘米 ，并且聚光區(qū)照度 至少 可以達到 16 坎， 而聚光區(qū) 以外的 照度 不超過 坎 。由此可見，這一措施在不影響讀數(shù)的情況下，有效降低了實驗背景光的亮度，對實驗結果的準確性具有十分重要的意義。 LED 光源在電學實驗中的應用 LED 具 備 單向導電性 能 ， 能 構成限幅、電平選擇等多種電路。 LED 不僅可以作為光學器件，在電學實驗 里 的 運用實例 也 數(shù)不勝數(shù) 。 LED 在自感現(xiàn)象演示實驗中的應用 當線圈中 的電流發(fā)生改變時，它周圍的磁場也會隨之改變，并由此引起磁通量的變化，此時在線圈中就會形成感應電動勢，這個電動勢總是阻礙著線圈 中原來電流的改變。此電動勢即自感電動勢，這種現(xiàn)象就叫做自感現(xiàn)象 。 實驗室 通常 使用兩個小燈泡的 并聯(lián)裝置 來演示自感現(xiàn)象，如圖 所示。 合上 開關K 后 ， 小燈泡 A2 立即就亮了 ， 而 A1 則是 慢慢 變亮 ， 最 終 達到與 A2 一樣 的亮度。但這個電路存在兩點不足：一 方面 由于 兩個線路分開演示 ，學生容易對通、斷電時的自感現(xiàn)象 形成誤解 ， 另一方面從 燈泡的亮滅 情況無法明確電流 的 流向 [12]。 圖 傳統(tǒng)的自感現(xiàn)象 演示電路 為了能較好地 展示 通、斷電自感現(xiàn)象，我們可以在 不改變原電路結構的基礎上， 用LED 替代 A1， A2 兩個 小燈泡，以達到更好的實驗效果。改進后的電路如圖 所示。其中 D1， D2 是 一對反向并聯(lián)的發(fā)光二極管， D1 取 紅色， D2 取 綠色。 湖南科技大學本科生畢業(yè)設計（論文） 16 圖 改進后的電路 連 通開關 K 后， 即可 觀察到電阻支路的 D1 迅速變亮，而 小燈泡 則 逐漸變亮。斷開開關 K 后， D1 迅速 熄滅， D2 閃爍 了一下后熄滅， 通過該現(xiàn)象即 可 解釋 自感現(xiàn)象。利用此電路既可以驗證有無電流產生，又可以同時觀察到電流的流向，從而能使學生更好地認識自感現(xiàn)象的本質。 LED 在電磁感應現(xiàn)象演示實驗中的應用 置于 變化磁 場 中的導體， 會 因為 磁通量的 不斷 改變 而 形成 電動勢 ，這種現(xiàn)象 就是 人們常說的 電磁感應現(xiàn)象。 課本上 常見 的電磁感應實驗是 通過 電流計來檢測 線圈 中是否有電流產生 以及 電流的 流向 的。如圖 所示， 可以依 據電流計的指針偏轉方向來 確定 感 生 電流的方向，但必需 在實驗之前先 確認 電流 流向 和電流計指針 旋轉 方向的關系。 而 實際實驗時指針會 因為 慣性 旋轉非常 混亂，所以實驗 現(xiàn)象 往往受到較大 干擾 。 圖 電磁感應實驗連接圖 由于 LED 具有 單向導電性和發(fā)光特性， 因此 可將實驗 裝置 改進成圖 所示。其中D1， D2 為一對反向并聯(lián)的 LED。當磁鐵相對 于線圈靜止時， 回路 中 無 電流 形成 ，兩只湖南科技大學本科生畢業(yè)設計（論文） 17 LED 均不發(fā)光。將磁鐵插入線圈時，可觀察到 D1 亮 ， D2 不 亮 ， 表明 線圈 中 的磁通量發(fā)生了變化，線圈中產生了電流，且其 流 向如圖中 I1 所示。將磁鐵快速拔出線圈時， D2亮 ， D1 不 亮 ，說明線圈中的磁通量又發(fā)生了改變，此時產生的感應電流方向如圖中 I2所示 [13]。 圖 改進后的電路 這一實驗現(xiàn)象 很好地說明 了電磁感應的一般規(guī)律，并且在實驗中可以根據兩只 LED的發(fā)光情況簡單準確地判斷出電流方向，避免了不必要的實驗誤差，使 實驗效果得到了很大提高。 LED 在電容充放電演示實驗中的應用 在電容器的充放電實驗中，我們只對其進行了理論上的分析 ， 學生無法形象地看到電容器的充放電過程，因此對實驗的原理并不能很好地理解。電容具有充放電的特性，我們可以利用如圖 所示的裝置較好地演示這一現(xiàn)象。 圖 電容充放電演示裝置 湖南科技大學本科生畢業(yè)設計（論文） 18 裝置中使用了兩個反向并聯(lián)的 LED—— D1 和 D2，其中 D1 取 紅色 ， D2 取 綠色。當開關 K 打至 1 時，電容開始充電， D1 發(fā)出紅光，并且開始較亮，而后逐漸變暗，最后熄滅，而 D2 始終不發(fā)光，這說明了充電電流是由 大變小，最后變至零的。待 D1 熄滅后，將開關 K 打至 2，此時電容開始放電， D2 發(fā)出綠光，并且開始較亮，而后逐漸變暗，最終熄滅， D1 始終不發(fā)光，這說明了放電電流也是由大變小，最終變?yōu)榱?，?時 也說明了充電電流和放電電流 在回路中 的流向 是相反的。 用這個裝置還可以檢測電容性能的好壞。 如果 電容 C 漏電或短路 ， 則 在充電時 兩個發(fā)光二極管 D1 與 D2 會交替亮暗。若電容 C 容量枯竭或開路，則 兩者 都不會發(fā)光。通過此實驗裝置，學生能直觀地認識到電容充放電時電流大小和方向的變化，對實驗原理的理解將更加深刻。 LED 光源在其他物理實驗 中的應用 LED 優(yōu)良的特性 確立 了其在實驗中 獨一無二 的 特殊地位 。近年來，隨著實驗設備的不斷更新?lián)Q代， LED 除了在光學和電磁學中廣泛的應用外，在其他實驗中也逐漸發(fā)揮其獨特的作用。 LED 演示光纖通信 光纖通信作為一門 高新 技術， 在 最 近 幾 年發(fā)展 十分迅速， 應用 領域也十分廣泛。光纖在光纖通信中有著舉足輕重的作用 ， 而其工作原理也是物理教學中一個重要部分 ， 我們可以通過以下實驗來演示其工作原理，讓學生加深對光纖通信的理解。 實驗需要的器材有 ： 一根透明的塑料管 ， 其內徑要求和發(fā)光二極管的直徑相同 ， 在其中灌滿水 ， 來模擬 光纖 ； 集成音樂卡一枚 ， 可以在舊傳呼機、音樂賀卡中拆得。為了使發(fā)光二極管能在較小音樂電平時導通 ， 以減小聲音的失真 ， 首先需將音樂卡的輸出端接入放大器，使聲音信號放大 ， 連接時注意要找準 LED 的正負極。塑料管的另一 頭與光敏二極管 連接 ， 光敏二極管 后接 電池 ， 連接時同樣需要 注意 接對正負極 ， 最后再將其接入錄音機或功率放大器的拾音插座。裝置連接如圖 所示，為了能夠較好地還原聲音信號，在連接發(fā)光二極管和光敏二極管時需要保證塑料管內沒有氣泡產生。 圖 光纖通信實驗裝置 當音樂卡通電時，發(fā)光二極管會隨之閃爍 ， 光信 號借助塑料管中的水發(fā)生全反射并最終到達光敏二極管 ，光敏二極管 將接收到的光信號轉化 為 電信號 ，然后 送入拾音插座放大，最終就得到了 還原的 聲音信號 [14]。由于發(fā)光二極管存在門限電壓，聲音在傳播的湖南科技大學本科生畢業(yè)設計（論文） 19 過 程中會有一定的失真，但這并不影響我們對實驗原理的理解。 LED 在運動學實驗中的應用 在運動學實驗中， 我們 常常需要根據物體的運動軌跡來 推算 出物體的速度、加速度等 未知 量，由于物體運動速度較快，普通的描繪方法難以準確地還原物體的運動軌跡，此時就需要用到頻閃儀了。 頻閃儀可以發(fā)出間隔時間非常短的閃光，當閃光頻率與 物體的 運動速度 相似 時，利用視頻 跟蹤 就能很清楚地 觀察 到高速運動物體的 具體 狀況。 圖 為 LED 頻閃儀。 圖 LED 頻閃儀 由于 發(fā)光二極管 響應速度 迅速 ，因此常用作頻閃光源。與舊式頻閃光源相比， LED頻閃光源不僅體積更小，而且亮度也有了很大的提高，與數(shù)碼相機連接后用于實驗演示十分便捷。同時因為 發(fā)光二極管 是低壓供電，學生實驗過程中也保障了安全。 將多個高亮度 發(fā)光二極管并排 安裝在電路板上 構成 的一個 簡單的頻閃儀 ， 電路如圖 所示。 再將其接至低頻信號發(fā)生器的 輸出端。 通過 調節(jié) 信號 源 的頻率 就能調節(jié) 頻閃儀 的 頻閃 間隔 ， 通過 調 節(jié) 信號 源 的輸出功率 就能調節(jié)頻閃儀 亮度。在 進行 實驗時， 先 啟動 頻閃儀，用相機 記錄 物體的 運行 軌跡（如 勻加速、勻減速 等 運動 ），若 同時 連接 投影儀 還能 顯示 物體運動的軌跡圖像， 整個過程 都 一覽無余 [15]。 由此計算出的速度、加速度等物理量也更加精確。如果需要 增大光強 ，可 選取 大功率 LED，但為了給 LED 發(fā)光陣列提供 充足 的能量，需要在信號發(fā)生器輸出端 增加 一個功率放大電路。 圖 高亮度 LED 電路 湖南科技大學本科生畢業(yè)設計（論文） 20 本章小結 發(fā)光二極管 在物理實驗中的 運用越來越 廣泛。在光學實驗中 LED 由于其亮度高，單色性好等特性，常被用作 光源；在電磁學實驗中， LED 由于其單向導電性，可以用來改進電磁感應現(xiàn)象等多種傳統(tǒng)實驗。此外， LED 還具有 綠色 節(jié)能、安全 可靠 等優(yōu)良特性。 LED 的應用 使 實驗現(xiàn)象 變得 十分 直觀，學生 能 更好地 認識 和理解實驗， 不但 可以 激 發(fā) 學生 探索問題 的 興趣 ， 而且 便于學生 對 實驗現(xiàn)象 和 結果 的 分析 與 總結 ， 在物