【正文】 簡單的頻閃儀 ， 電路如圖 所示。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。 圖 為 LED 頻閃儀。 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。 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 將接收到的光信號轉(zhuǎn)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]。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。 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。 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。 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 。若電容 C 容量枯竭或開路，則 兩者 都不會(huì)發(fā)光。 用這個(gè)裝置還可以檢測電容性能的好壞。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。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 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。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。其中D1， D2 為一對反向并聯(lián)的 LED。 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 。 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 線圈 中是否有電流產(chǎn)生 以及 電流的 流向 的。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)識自感現(xiàn)象的本質(zhì)。 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。改進(jìn)后的電路如圖 所示。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]。 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。 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，這個(gè)電動(dòng)勢總是阻礙著線圈 中原來電流的改變。 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。 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 。 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。 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。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 。 尤其 是黃光 LED 作用 更 加 明顯 ， 而且 操作 起來 也 非常 方便 。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]。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。 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) 。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)。特別 是 當(dāng) 測量透鏡 組 的 焦距時(shí)， 因?yàn)?背景光對實(shí)驗(yàn) 干擾 較大，實(shí)驗(yàn)的 結(jié)果 并不 令人滿意 [10]。 圖 自準(zhǔn)法測焦距 湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 圖 物距像距法測焦距 在 做 “薄透鏡焦距測量”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。 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。 薄透鏡焦距測定實(shí)驗(yàn) 測 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。隨著產(chǎn)業(yè) 的不斷發(fā)展，LED 因其工作電壓低， 可靠性高，壽命長 ，效率高等特性逐漸在物理實(shí)驗(yàn)中得到越來越多的應(yīng)用。湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 第三章 LED 光源在物理實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用 物理實(shí)驗(yàn)中電學(xué)和光學(xué)實(shí)驗(yàn)占有較大比重， LED 作為一項(xiàng)重要的光電器件，在物理實(shí)驗(yàn)中一直有著舉足輕重的作用。對于一般的 設(shè)施 和場所，整體的照明大多數(shù) 仍然使用 傳統(tǒng)光源， LED 光源只起到 局部裝飾作用；但 對于高檔場所如 賓館 、酒店和小型會(huì)議室等，照明光源還是優(yōu)先選擇 LED 光源，因?yàn)槠淇梢赃_(dá)到更好的照明效果 。 表 傳統(tǒng)光源與 LED 光源參數(shù)表 光源種類 發(fā)光效率 （ lm/W） 顯色指數(shù) （ Ra） 色溫 （ K） 平均壽命 （ h） 白熾燈 10 100 2700 10001500 鹵鎢燈 20 100 3200 18003000 普通熒光燈 70 70 260010000 10000 三基色熒光屏 93 8085 260010000 12022 白光 LED 6580 85 260010000 2022060000 現(xiàn)如今，傳統(tǒng)光源與 LED 光源在不同的領(lǐng)域應(yīng)用情況也有所 差異 。 圖 LED 與傳統(tǒng)光源的發(fā)光效率對比 湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 綜上所述，可知 LED光源在眾多光源中確實(shí)有著其突出的特點(diǎn)，如發(fā)光效率高，壽命長，節(jié)能環(huán)保等。鹵鎢燈安裝 使用 簡單 ， 制作工藝 也較為成熟，并且價(jià)格 便宜 ，加之 客戶 的 需求 習(xí)慣，鹵鎢燈在當(dāng)今還有一定的生存空間。 最后是鹵鎢燈，近 幾年 許多國家和地區(qū) 先后 制定了 禁止 白熾燈生產(chǎn)和使用的 法案 ，但鹵鎢燈卻未進(jìn)入限制的范疇。 因?yàn)?熒光燈是發(fā)光效率較高的線狀光源， 操作 控制比較簡便， 光色 較白熾燈更加 柔和 ，單個(gè)熒光燈的光通量可以達(dá)到幾千流明，因?yàn)槠淞炼确浅８?，所以目前的室?nèi)照明大多使用的是熒光燈，加之其價(jià)格 便宜 ，因此在目前的使用量不會(huì)減少，難以被 LED大規(guī)模 取代 。在節(jié)能環(huán)保的大潮中，越來越多的國家 和地區(qū)已經(jīng)開始禁止白熾燈的生產(chǎn)與使用 ，白熾燈逐漸從照明市場被淘汰。白熾燈自發(fā)湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 明以來，盡管經(jīng)過了多次的改進(jìn)，但其光效仍然不高，其次是其玻殼易碎，難以長期保存。 LED 光源與傳統(tǒng)光源的比較 與 LED 相比， 傳統(tǒng) 光源 的確 存在或多或少的缺點(diǎn)， LED 光源的 某些 特點(diǎn)是 一般 光源 不能取代 的。 在資源面臨枯竭，環(huán)境問題亟待解決的今天， LED憑 著 其亮度高、壽命長、環(huán)保 節(jié)能等顯著優(yōu)勢，在各種照明光源中嶄露頭角。 圖 LED 交通信號燈 圖 實(shí)驗(yàn)儀器信號燈 發(fā)光二極管 成為 目前 最 具 潛力的新型光源， 正 日益引起人們的 廣泛 關(guān)注 。 圖 LED 的顯示應(yīng)用 3．信號指示燈應(yīng)用：如交通指示燈、汽車轉(zhuǎn)向燈，在物理教學(xué)中，各種實(shí)驗(yàn)儀器的報(bào)警燈也大多是由 LED 制成。 2．顯示應(yīng)用： LED 光源亮度較高，可以應(yīng)用于商場宣傳、教育教學(xué)以及各種服務(wù)行業(yè)，如大屏幕顯示、指示牌、廣告牌等。 LED 產(chǎn)品在各行各業(yè)都有一定的應(yīng)用，大致可以分為以下三類： 圖 LED 在照明領(lǐng)域的應(yīng)用 1．照明應(yīng)用： LED 光源在家用照明、汽車照明、路燈照明、應(yīng)急照明等領(lǐng)域都有湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 廣泛的應(yīng)用，其中電子設(shè)備的背光源是其應(yīng)用最大的領(lǐng)域。近幾年隨著 LED 生產(chǎn)技術(shù)的不斷 革新 ， LED 的價(jià)格也有所 下跌 ，目前 LED 在國內(nèi)許多地區(qū)已經(jīng)投入使用， 因?yàn)?LED 光效較高 ，政府也一直提倡用 LED 路燈替代傳統(tǒng)路燈， 民眾 逐漸意識到 LED 光 源的優(yōu)點(diǎn)。 除中國外，美國、 日本、韓國等國家 及 地區(qū)，都相繼把 發(fā)光二極管 照明 列為 重點(diǎn)發(fā)展的高新技術(shù)，并先后 制定了 新 型光源照明計(jì)劃，想要在這一 熱門 領(lǐng)域取得世界領(lǐng)先的水平 。 由于 電子的遷移率 比空穴高近 20 倍左右 ， 電子 便 很快從 N 區(qū) 移動(dòng) 到 P 區(qū) [8]；而 P 區(qū)因受主能級很深，并且形成了雜質(zhì)能帶，因而減少了有效帶隙的寬度，電子易于湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 跌落到價(jià)帶與空穴復(fù)合并發(fā)光 。將正向電壓加在 PN 結(jié)區(qū)后，勢壘降低，大量的非平衡載流子（電子）從擴(kuò)散區(qū)注入，這些電子將從高能級 EC 跌落到低能級 EV，并 和 價(jià)帶中的多數(shù)載流子（空穴）復(fù)合， 在這一 過程中，電子 從 高能級 跌落至 低能級要釋放一部分能量，釋放的方式為發(fā)輻射或發(fā)光，顯然發(fā)光 集中 在 了 P 區(qū)。 LED 是一種注入型電致發(fā)光器件，是由Ⅲ－Ⅳ族化合物在 Si 型襯底的外延生長而形成 ，其主要部分是 PN 結(jié)。 ： LED 光源為冷光源，其工作時(shí)輻射少，熱量低，對人眼危害較小，可以安全觸摸，并且其發(fā)光光型和角度都易于準(zhǔn)確控制，光色比較柔和，不含危害健康的物質(zhì) [7]。 ：既有白光 LED，也有紅、 藍(lán) 、黃等多種色光的 LED，并且其光譜 大都較窄，單色性 相對較 好。 3. 能耗低： LED 的工作電壓一般為 ，工作電流一般為 ，故其功率較小，能耗較低。 ： LED 大都由一塊被 密封 在 透明 樹脂內(nèi)部的微型晶片 構(gòu)成 ， 尺寸 較小，使用方便。 LED 的特性及其工作原理 LED 具 備 許多突出的 特點(diǎn)，和一般的 光源相比，它的發(fā)展?jié)摿Ω?，用途更廣 。 LED 光源 LED 作為 綠色 節(jié)能的新時(shí)期照明光源，有著許多傳統(tǒng)光源 未曾有過的 優(yōu)點(diǎn)及用途。 圖 傳統(tǒng)光源在各種場所的應(yīng)用 傳統(tǒng)光源在照明領(lǐng)域一直有著舉足輕重的地位，隨著科技日新月異的發(fā)展，傳統(tǒng)光源逐漸朝著節(jié)能、高效、環(huán)保的方向不斷發(fā)展，即使在 LED 光源不斷普及的今天，傳湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 統(tǒng)光源任然占有一席之地。 湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 圖 低壓鈉燈結(jié)構(gòu) 圖 高壓鈉燈結(jié)構(gòu) 傳統(tǒng)光源的應(yīng)用與發(fā)展 人類社會(huì)自發(fā)現(xiàn)火并利用火照明以來，走過了制造和使用油燈、煤氣燈和蠟燭 的漫長 歲月 ，自 1879 年美國科學(xué)家 愛迪生發(fā)明第一盞電燈以來，人類在照明之路上一直不斷前進(jìn)。在恒定電壓條件下，電路中一般需要串聯(lián)一個(gè)穩(wěn) 壓器以保證燈泡 正常工作所需 的額定 電壓 。 高壓鈉燈大都由多晶氧化鋁管，鐵絲框架，電極 與 玻殼等 部分 組成， 燈管內(nèi)充 滿了鈉，汞蒸氣和 稀有 氣體。剛開始通電后，燈管呈現(xiàn)出 Ne 的特征紅光，隨著燈內(nèi)溫度逐漸升高，鈉開始蒸發(fā)并輻射出可見光。 低壓鈉燈是利用鈉 在低壓環(huán)境下放電 形成 可見光的電光源，其 正常 工 作 時(shí)，燈內(nèi) 氣壓最多只有幾個(gè)帕。 圖 熒光燈結(jié)構(gòu) 4. 鈉燈 鈉燈是利用 固體 鈉在高溫下形成蒸氣并 產(chǎn)生放電，從而 形成 肉眼 可見 的 光的電光源。芯柱起到固定燈絲的作用，同時(shí)與玻璃燈管相連形成密閉空間，燈管內(nèi)充滿了水銀蒸氣與惰性氣體 [5]。 熒光燈主要由燈絲和管型玻殼 構(gòu)成 ， 玻殼 內(nèi)側(cè) 涂有一層熒光 物質(zhì) ，燈絲又稱為陰極，上面涂有一層電子粉。在通電后，燈 內(nèi)的氣壓迅速降低， 氣態(tài) 汞在低氣壓的作用下會(huì)釋放紫外線，從而使玻殼 內(nèi)壁上的熒光 物質(zhì)被激 活 ，并發(fā)出可見光。由于在鹵鎢燈中鎢的蒸發(fā)得到有效的抑制，玻殼的發(fā)黑現(xiàn)象也得到消除，所以燈絲工作溫度和發(fā)光效率都大大提高，