【文章內(nèi)容簡(jiǎn)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(diǎn)， 因此 在光學(xué)實(shí)驗(yàn)中經(jīng)常 把 LED 作為 光源。 薄透鏡焦距測(cè)定實(shí)驗(yàn) 測(cè) 定 薄透鏡的焦距有多種 途徑 ，實(shí)驗(yàn)室 最 常用的有自準(zhǔn)法 以及 物距像距法。自準(zhǔn)法是通過調(diào) 整 實(shí)驗(yàn) 儀器位置，使 光源穿過透鏡后形成平行光源以 實(shí)現(xiàn) 調(diào)焦目的。 而物距像距法是 運(yùn) 用一組凹透鏡和凸透鏡 來實(shí)現(xiàn)的 ，通過測(cè)出實(shí)像和虛像的 具體 位置，然后 運(yùn)用高斯公式得出焦距。圖 和圖 分別為自準(zhǔn)法和物距像距法的實(shí)驗(yàn)圖。 圖 自準(zhǔn)法測(cè)焦距 湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 圖 物距像距法測(cè)焦距 在 做 “薄透鏡焦距測(cè)量”實(shí)驗(yàn) 時(shí) ， 我們 最常 用到的 光源是由 白熾燈 和透鏡構(gòu)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(shí)避免 因高溫熔斷， 該 實(shí)驗(yàn) 光源的散熱 裝置 被設(shè)計(jì)成平行百葉窗式，因此在這個(gè)部分會(huì)有一些光線泄漏，從而使得 整個(gè) 實(shí)驗(yàn)裝置 背景光過強(qiáng)， 對(duì) 實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性 造成了很大影響 。特別 是 當(dāng) 測(cè)量透鏡 組 的 焦距時(shí)， 因?yàn)?背景光對(duì)實(shí)驗(yàn) 干擾 較大，實(shí)驗(yàn)的 結(jié)果 并不 令人滿意 [10]。解 決該問題 的方案是用一個(gè)半徑為 5 厘米的高亮度紅色 LED 來取代屏幕照明，并對(duì)該 LED 進(jìn)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(xué)暗室的背景光，從而使實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到顯著改進(jìn)。此外，因?yàn)?使用的是單色 LED，因此有效 減少 了透鏡組的色散對(duì)實(shí)驗(yàn) 效果 的 干擾 。 圖 LED 加工示意圖 LED 在全息照相實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用 全息照相的應(yīng)用十分廣泛，它是 一項(xiàng) 以干涉、衍射等光學(xué)理論為基礎(chǔ)的 技術(shù) 。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(gè)位置 都包含了物體的 具體 信息，因此全息底片的每 個(gè)角度 都能觀察到與 實(shí)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(shí)驗(yàn)室一般 使用的是 氦氖 激光。 湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 14 全息底片 被 氦氖 激光照射 時(shí) ， 可 以 看到 與物體十分類似 的立體 虛 像 ； 但在白光 照射時(shí)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(diǎn)光源這兩 大要素 不 能同時(shí)達(dá)成 ， 再現(xiàn)效果 十分 不理想 。而 LED 在這兩 個(gè) 方面 表現(xiàn)出了自己的獨(dú)特之處 ： 首先是 其 單色性 不錯(cuò)， 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(shí)，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(yīng)用 全息照相在 許多行業(yè)中 都有 運(yùn) 用，但目前許多還處在起步階段。如全息通信技術(shù)，全息 顯微 技術(shù)和全息干涉技術(shù)等，隨著 生產(chǎn)工藝 的不斷 突破 和 革新 ，全息照相技術(shù)將在人們的生產(chǎn)生活中占據(jù)著越來越重要的地位， LED 在全息照相技術(shù)中的應(yīng)用也 會(huì) 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(jì)讀數(shù)照明 在 做 “光柵衍射” 演示 實(shí)驗(yàn) 時(shí) ， 因?yàn)槭?讀數(shù)照明燈影響 較大 ， 光學(xué)暗室 內(nèi)背景光變得過亮 ， 在觀察汞燈的二級(jí)譜線時(shí) ， 由于 光譜線處于 背景 光中 難以區(qū)分，因此 想要精準(zhǔn)地確定 光譜的坐標(biāo)十分困難 ， 個(gè)別儀器甚至 不能分辨出 二級(jí) 光譜。 利用實(shí)驗(yàn)提供的 交變 電源 ， 按圖 所示 電路 連結(jié) 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?yàn)?LED 也同 一般 二極管 類似 ， 只有在 PN 結(jié)加正偏壓時(shí)才呈現(xiàn)為導(dǎo)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(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15 實(shí)驗(yàn)中我們 采用 的 發(fā) 光二極管 半主光束角 不大于 3176。， 因?yàn)?LED 具有 良好的聚光性能 ，在正常工作 時(shí) ， 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(dá)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(shí)驗(yàn)背景光的亮度，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性具有十分重要的意義。 LED 光源在電學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用 LED 具 備 單向?qū)щ娦?能 ， 能 構(gòu)成限幅、電平選擇等多種電路。 LED 不僅可以作為光學(xué)器件，在電學(xué)實(shí)驗(yàn) 里 的 運(yùn)用實(shí)例 也 數(shù)不勝數(shù) 。 LED 在自感現(xiàn)象演示實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用 當(dāng)線圈中 的電流發(fā)生改變時(shí)，它周圍的磁場(chǎng)也會(huì)隨之改變，并由此引起磁通量的變化，此時(shí)在線圈中就會(huì)形成感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，這個(gè)電動(dòng)勢(shì)總是阻礙著線圈 中原來電流的改變。此電動(dòng)勢(shì)即自感電動(dòng)勢(shì)，這種現(xiàn)象就叫做自感現(xiàn)象 。 實(shí)驗(yàn)室 通常 使用兩個(gè)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(guān)K 后 ， 小燈泡 A2 立即就亮了 ， 而 A1 則是 慢慢 變亮 ， 最 終 達(dá)到與 A2 一樣 的亮度。但這個(gè)電路存在兩點(diǎn)不足：一 方面 由于 兩個(gè)線路分開演示 ，學(xué)生容易對(duì)通、斷電時(shí)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?cè)娐方Y(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上， 用LED 替代 A1， A2 兩個(gè) 小燈泡，以達(dá)到更好的實(shí)驗(yàn)效果。改進(jìn)后的電路如圖 所示。其中 D1， D2 是 一對(duì)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(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 16 圖 改進(jìn)后的電路 連 通開關(guān) 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(guān) 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(yàn)證有無電流產(chǎn)生，又可以同時(shí)觀察到電流的流向，從而能使學(xué)生更好地認(rèn)識(shí)自感現(xiàn)象的本質(zhì)。 LED 在電磁感應(yīng)現(xiàn)象演示實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用 置于 變化磁 場(chǎng) 中的導(dǎo)體， 會(huì) 因?yàn)?磁通量的 不斷 改變 而 形成 電動(dòng)勢(shì) ，這種現(xiàn)象 就是 人們常說的 電磁感應(yīng)現(xiàn)象。 課本上 常見 的電磁感應(yīng)實(shí)驗(yàn)是 通過 電流計(jì)來檢測(cè) 線圈 中是否有電流產(chǎn)生 以及 電流的 流向 的。如圖 所示， 可以依 據(jù)電流計(jì)的指針偏轉(zhuǎn)方向來 確定 感 生 電流的方向，但必需 在實(shí)驗(yàn)之前先 確認(rèn) 電流 流向 和電流計(jì)指針 旋轉(zhuǎn) 方向的關(guān)系。 而 實(shí)際實(shí)驗(yàn)時(shí)指針會(huì) 因?yàn)?慣性 旋轉(zhuǎn)非常 混亂，所以實(shí)驗(yàn) 現(xiàn)象 往往受到較大 干擾 。 圖 電磁感應(yīng)實(shí)驗(yàn)連接圖 由于 LED 具有 單向?qū)щ娦院桶l(fā)光特性， 因此 可將實(shí)驗(yàn) 裝置 改進(jìn)成圖 所示。其中D1， D2 為一對(duì)反向并聯(lián)的 LED。當(dāng)磁鐵相對(duì) 于線圈靜止時(shí)， 回路 中 無 電流 形成 ，兩只湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 17 LED 均不發(fā)光。將磁鐵插入線圈時(shí)，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(chǎn)生了電流，且其 流 向如圖中 I1 所示。將磁鐵快速拔出線圈時(shí)， D2亮 ， D1 不 亮 ，說明線圈中的磁通量又發(fā)生了改變，此時(shí)產(chǎn)生的感應(yīng)電流方向如圖中 I2所示 [13]。 圖 改進(jìn)后的電路 這一實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象 很好地說明 了電磁感應(yīng)的一般規(guī)律，并且在實(shí)驗(yàn)中可以根據(jù)兩只 LED的發(fā)光情況簡(jiǎn)單準(zhǔn)確地判斷出電流方向，避免了不必要的實(shí)驗(yàn)誤差，使 實(shí)驗(yàn)效果得到了很大提高。 LED 在電容充放電演示實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用 在電容器的充放電實(shí)驗(yàn)中，我們只對(duì)其進(jìn)行了理論上的分析 ， 學(xué)生無法形象地看到電容器的充放電過程，因此對(duì)實(shí)驗(yàn)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(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 18 裝置中使用了兩個(gè)反向并聯(lián)的 LED—— D1 和 D2，其中 D1 取 紅色 ， D2 取 綠色。當(dāng)開關(guān) K 打至 1 時(shí)，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(guān) K 打至 2，此時(shí)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(shí) 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(gè)裝置還可以檢測(cè)電容性能的好壞。 如果 電容 C 漏電或短路 ， 則 在充電時(shí) 兩個(gè)發(fā)光二極管 D1 與 D2 會(huì)交替亮暗。若電容 C 容量枯竭或開路，則 兩者 都不會(huì)發(fā)光。通過此實(shí)驗(yàn)裝置，學(xué)生能直觀地認(rèn)識(shí)到電容充放電時(shí)電流大小和方向的變化，對(duì)實(shí)驗(yàn)原理的理解將更加深刻。 LED 光源在其他物理實(shí)驗(yàn) 中的應(yīng)用 LED 優(yōu)良的特性 確立 了其在實(shí)驗(yàn)中 獨(dú)一無二 的 特殊地位 。近年來，隨著實(shí)驗(yàn)設(shè)備的不斷更新?lián)Q代， LED 除了在光學(xué)和電磁學(xué)中廣泛的應(yīng)用外，在其他實(shí)驗(yàn)中也逐漸發(fā)揮其獨(dú)特的作用。 LED 演示光纖通信 光纖通信作為一門 高新 技術(shù)， 在 最 近 幾 年發(fā)展 十分迅速， 應(yīng)用 領(lǐng)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(xué)中一個(gè)重要部分 ， 我們可以通過以下實(shí)驗(yàn)來演示其工作原理，讓學(xué)生加深對(duì)光纖通信的理解。 實(shí)驗(yàn)需要的器材有 ： 一根透明的塑料管 ， 其內(nèi)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(jī)、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(shí)導(dǎo)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(hào)放大 ， 連接時(shí)注意要找準(zhǔn) LED 的正負(fù)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(shí)同樣需要 注意 接對(duì)正負(fù)極 ， 最后再將其接入錄音機(jī)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(hào)，在連接發(fā)光二極管和光敏二極管時(shí)需要保證塑料管內(nèi)沒有氣泡產(chǎn)生。 圖 光纖通信實(shí)驗(yàn)裝置 當(dāng)音樂卡通電時(shí)，發(fā)光二極管會(huì)隨之閃爍 ， 光信 號(hào)借助塑料管中的水發(fā)生全反射并最終到達(dá)光敏二極管 ，光敏二極管 將接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)化 為 電信號(hào) ，然后 送入拾音插座放大，最終就得到了 還原的 聲音信號(hào) [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(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 19 過 程中會(huì)有一定的失真，但這并不影響我們對(duì)實(shí)驗(yàn)原理的理解。 LED 在運(yùn)動(dòng)學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用 在運(yùn)動(dòng)學(xué)實(shí)驗(yàn)中， 我們 常常需要根據(jù)物體的運(yùn)動(dòng)軌跡來 推算 出物體的速度、加速度等 未知 量，由于物體運(yùn)動(dòng)速度較快，普通的描繪方法難以準(zhǔn)確地還原物體的運(yùn)動(dòng)軌跡，此時(shí)就需要用到頻閃儀了。 頻閃儀可以發(fā)出間隔時(shí)間非常短的閃光，當(dāng)閃光頻率與 物體的 運(yùn)動(dòng)速度 相似 時(shí)，利用視頻 跟蹤 就能很清楚地 觀察 到高速運(yùn)動(dòng)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(yīng)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(jī)連接后用于實(shí)驗(yàn)演示十分便捷。同時(shí)因?yàn)?發(fā)光二極管 是低壓供電，學(xué)生實(shí)驗(yàn)過程中也保障了安全。 將多個(gè)高亮度 發(fā)光二極管并排 安裝在電路板上 構(gòu)成 的一個(gè) 簡(jiǎn)單的頻閃儀 ， 電路如圖 所示。 再將其接至低頻信號(hào)發(fā)生器的 輸出端。 通過 調(diào)節(jié) 信號(hào) 源 的頻率 就能調(diào)節(jié) 頻閃儀 的 頻閃 間隔 ， 通過 調(diào) 節(jié) 信號(hào) 源 的輸出功率 就能調(diào)節(jié)頻閃儀 亮度。在 進(jìn)行 實(shí)驗(yàn)時(shí)， 先 啟動(dòng) 頻閃儀，用相機(jī) 記錄 物體的 運(yùn)行 軌跡（如 勻加速、勻減速 等 運(yùn)動(dòng) ），若 同時(shí) 連接 投影儀 還能 顯示 物體運(yùn)動(dòng)的軌跡圖像， 整個(gè)過程 都 一覽無余 [15]。 由此計(jì)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(qiáng) ，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(hào)發(fā)生器輸出端 增加 一個(gè)功率放大電路。 圖 高亮度 LED 電路 湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 20 本章小結(jié) 發(fā)光二極管 在物理實(shí)驗(yàn)中的 運(yùn)用越來越 廣泛。在光學(xué)實(shí)驗(yàn)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(xué)實(shí)驗(yàn)中， LED 由于其單向?qū)щ娦?，可以用來改進(jìn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象等多種傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)。此外， LED 還具有 綠色 節(jié)能、安全 可靠 等優(yōu)良特性。 LED 的應(yīng)用 使 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象 變得 十分 直觀，學(xué)生 能 更好地 認(rèn)識(shí) 和理解實(shí)驗(yàn)， 不但 可以 激 發(fā) 學(xué)生 探索問題 的 興趣 ， 而且 便于學(xué)生 對(duì) 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象 和 結(jié)果 的 分析 與 總結(jié) ， 在物