基于物理学热点问题的大学物理教学案例设计——以2014年Nobel物理学奖为例

李 宏，刘 颖，谷建生

（华北理工大学 理学院，河北 唐山063000）

大学物理教学的良性发展，需要进行合理的教学设计。很多高校大学物理教师在大学物理教学改革方面，做出了尝试和研究，如在大学物理教学中融入科研工作的介绍，把前沿研究领域作为窗口引入大学物理教学等，并在发表的论文中谈及体会、收获和教学效果［1－2］。

大学物理教学除了经典知识的系统传授，还需要把物理学界的重要前沿信息通过教学及时传播。本文从2014年Nobel物理学奖入手，设计一个结合物理学热点问题的大学物理教学案例。物理学推动了人类科技的发展，物理学的热点问题也在不断地推陈出新。物理学界的热点问题理所当然地和每年颁发的诺贝尔物理学奖不无关联。2014年诺贝尔物理学奖授予了蓝光LED（全称为Light Emitting Diode，即发光二极管）的发明者，以表彰赤崎勇、天野浩和中村修二这些科学家对人类照明事业的巨大贡献。为此我从2014年的诺贝尔物理学奖入手，加之多年对照明进行研究的知识积累，精心设计了一堂结合物理学热点问题的大学物理案例课。

课程讲授的第一步，我先给同学摘读了《科技日报》刊登的题为“蓝光LED引发第二次照明革命”的文章，文中提到：“自提出半导体PN结发光理论的1907年，到随处可见LED技术应用的今天，已经历时一个多世纪，期间在上世纪70年代末期，已经研发出了红、橙、黄、绿、翠绿等颜色的LED。由于红、绿、蓝是光的三原色，在蓝光LED没有问世以前，蓝色光的缺失，使得人工照明的白色光源总是获得无望。借用蓝光LED，白光以新的方式被创造出来。极大地拓宽了LED的应用领域，使LED全彩色显示、LED照明应用等成为现实。”“使用LED灯，我们可以拥有更持久和高效的灯光代替原来的光源，这不仅能为人类节省大量能源，也能照亮全球更多地方。世界上缺乏电网的人口将超过15亿，LED灯的出现给他们带来了希望，因为LED的低功耗，一些当地的廉价太阳能就足以为其供电。蓝光LED给人类带来了极大的福祉，也实现了诺贝尔奖创始人阿尔弗雷德·诺贝尔为人类造福的遗愿，得奖可谓实至名归。”“白炽灯照亮了20世纪，那么21世纪将是被LED灯照亮的。更是一语道破LED在人类文明发展进程中独树一帜的作用和它无可比拟的强大生命力。”

“照明”是2014年诺贝尔物理学奖中的关键热词之一，物理学推动了人类不可或缺的照明技术的发展，也恰恰体现了物理学为人类造福的思想和初衷。对照明这一主题做了这样的铺垫之后，可以顺理成章地启发同学思考下面的问题：人类照明是怎么发展起来的？目前我们常用的照明光源是怎样发出可见光的？各自涉及到物理学的哪些经典理论？为什么LED会成为未来照明的主力军？以下是就这些问题的逐一展开和讨论所做的教学设计。

一、人类照明发展史简介

照明的发展可以追溯到远古时代，人类最早依赖于太阳辐射的可见光，日出而作，日落而息。随着人类文明进一步发展，仅仅自然光的照明已无法满足人们生活、生产的需要。用人工的方法产生可见光的愿望，促成了一个新的产业——光源与照明。从1879年爱迪生发明的第一只白炽灯，到现在的LED照明，人们不断研究出产生可见光的新方法，基于不同发光原理研制出各种光源产品，使人们的照明越来越高效，也越来越舒适了。

第一代光源以基于热辐射发光的白炽灯为代表；第二代光源以基于原子激发辐射发光的荧光灯为代表；第三代光源主要是一些高气压放电灯；第四代光源就是固体发光光源——LED。前三代光源统称为传统光源，第四代光源被冠以新型光源的美称。产生可见光有不同的方式，人工可见光在照明领域被广泛应用。对照明的发展做了粗略介绍之后，再把重点放在解析物理学知识在该学科中的体现。

二、常用照明光源的发光原理及与物理学的关联

（一）白炽灯的发光原理——热辐射放光

以前我们用得最多的是白炽灯，学生普遍的认知是：通电后，灯丝产生焦耳热，将电能转化成了热能。那到底为什么白炽灯能发出可见光？紧接着提示学生：结合近代物理的前期量子理论中提到的黑体辐射可以做出解释。

一切物体的分子、原子都处在不停的热运动中，这些带电粒子的热运动必然导致向外发射电磁波，因为这种辐射与温度有关，所以称为热辐射。关于热辐射发光，需要追溯到黑体辐射，所谓黑体就是能够把所有接收到的辐射全部吸收而没有反射的物体。比如白天看到的远处黑洞洞的窗户，布满烟灰的烟囱里面看进去也是漆黑一片。在实验中是采用开有小孔的空腔作为黑体的。这时它的能量几乎都被腔壁吸收了，因而小孔可视为反射为零的黑体。普朗克理论圆满地解决了黑体辐射问题。1900年德国物理学家普朗克提出的量子假说，指出能量只能等于一些离散值中的一个，即谐振子的能量是量子化的［3］。

描述黑体辐射的规律主要有两个定律，其一是斯特藩一玻尔兹曼定律，该定律指出黑体辐出度与温度 的四次方成正比，随着热辐射体温度的变化，热辐射体会发出不同的连续光谱，温度越高，辐射体单位面积的辐射能量越大。第二个定律是维恩位移定律，黑体辐射的峰值波长与其绝对温度成反比，温度越高，辐射的峰值波长也越向短波方向移动，所以不同温度的辐射体发出的光会有很大差异。按照以上两个定律可以分析金属丝通电后颜色的变化。将金属丝通电加热，温度低时，红外辐射较多，大部分电能都转化为焦耳热，白白耗散掉了。随温度升高，发出可见光的比例逐渐增大，由于峰值波长不同，我们看到可见光的颜色从红——蓝——蓝白，变化到白色光，不同的发光颜色与辐射体的温度相对应，因此形象地把这一温度称为颜色温度，简称色温。

太阳是利用热辐射发光的天然光源。自动门的开合就是传感器接收到红外辐射来控制的，还有红外跟踪、红外摄像等等。传统的钨丝灯是利用热辐射现象做成的光源。只发出红外线的烘干灯，在工业、农业上用于材料的干燥；能够发出可见光的灯泡用于日常的照明，由于白炽灯对电能的利用率太低，不符合当今节能的要求了，白炽灯已经逐渐淡出照明领域。这样的介绍就算是回顾历史。目前仍旧允许市场出售的白炽灯是光效相对较高的卤钨灯白炽灯。

（二）荧光灯的发光机理——原子激发辐射发光

目前室内照明较多用荧光灯，比如学校的教室、图书馆多用荧光灯管照明。长长的灯管中并没有像白炽灯那样在灯管内吊挂长长的灯丝，话题至此自然要提出这样的问题——我们看到的可见光是怎么产生的？

需要提示学生，荧光灯中的汞蒸汽原子担当了发光的重任。汞蒸汽原子发光的理论依据何在？这就自然要提到在前期量子论的内容，波尔为解释氢原子的线状光谱线所作的假设中提及的能级理论。原子处于一系列稳定的能量状态中，吸收和辐射电磁波只能在两个定态之间以跃迁的方式进行，若两个定态对应的能量为En和Em，且En＞Em，见图1，则吸收或辐射的电磁波频率 由下式决定

图1 原子能级及跃迁示意图

当原子吸收了足够的能量时，就能被激发。但是处于激发态的原子是不稳定的，它不能长久地停留在这一状态上，在很短的时间间隔（10－8s数量级）后又要自发地返回到它的基态。原子的激发和跃迁不限于在基态和激发态之间进行，也可在一些激发态之间发生，特别将从激发态向基态跃迁所产生的辐射称为共振辐射，处于基态的原子吸收了这一辐射之后又会被激发到同一激发态。荧光灯就是产生波长为253．7nm和185．0nm的共振辐射，其中很强的253．7nm紫外辐射，经荧光粉转换为可见光了，因发出的光接近日光俗称日光灯。另外再顺便提一句，像路灯多用的高压汞灯、高压钠灯等也主要基于原子激发辐射发光，只不过是这些灯的高气压放电有别于荧光灯的低气压放电而已。

由此可见，这些司空见惯的照明中也包含着丰富的物理理论，其实生活中处处都有物理学的身影，只要细心去发现，原来感觉空洞的理论知识，总能方便地找到实实在在的应用。

（三）电磁场激励发光的应用

大学物理的电磁学提到电场、磁场都具有能量，麦克斯韦建立了完整的电磁学理论，变化的电场和变化的磁场可以相互激发产生电磁波。我们不妨大胆地设问，携带能量的电磁波能不能激发可见光呢？或者利用电磁感应现象是不是也能产生可见光呢？对科学的认知需要我们不断地思考，不断探寻新的解决方案。以下两种光源成功回答了上面的两个问题。

1微波硫灯——微波激发发光

提到微波，学生能想到家庭用的微波炉。微波的频率在300MHz以上，而无线电波的频率300 MHz以下。微波是电磁波谱中比红外线波长更长的一个波段，红外线照射下物体会越来越暖和，它是把电磁能转化成了热能。可见微波炉正是利用微波来加热的。

能量可以有不同的转换方式，现在我们试图将微波携带的电磁能转化为光能，就是用电磁能来激发原子。最早利用微波激发的放电灯是紫外光源和光谱灯。紫外光源用于医学杀菌等特殊用途。光谱灯的辐射光谱几乎全部是原子线光谱，是原子荧光光谱分析技术中的理想光源。利用2 450MHz的微波辐射来激发石英泡壳内的发光物质硫，使它产生连续光谱用于照明，这就是成功开发出的微波硫灯。微波硫灯系统装置，见图2，其工作原理是：磁控管在直流高压驱动下产生微波，通过波导管传输到谐振腔，微波在谐振腔中与装在石英泡壳中的硫等离子体耦合，激发硫分子辐射。为了使等离子体均匀的稳定工作，泡壳通过一马达带动高速旋转。

图2 微波硫灯系统装置

这个例子启发了学生对能量转化更深层次的认识，同是微波，转化为热能是微波加热，微波转化为可见光就可用来照明了。

2感应灯——电磁感应发光电磁感应怎么能激励发光呢？法拉第电磁感应定律指出，只要有变化的磁通量就有感应电动势，这是我们熟悉的电磁感应现象。电磁感应是通过电磁场传输能量的一种方式，变压器是一个实际的例子。它由铁氧体磁芯和绕于其上的初级、次级线圈构成。通过初级线圈的电流在铁氧体磁芯以及在其周围感应出一个交变的电磁场，该交变电磁场又在次级线圈中感应出交变的次级电流。感应灯—无极荧光灯，见图3，就是利用的电磁感应发光。电磁场能量的传输与变压器相似，金属蒸汽或气体可以看作为上述的次级线圈。感应电流通过金属蒸汽或气体流动，被加速的自由电子在与蒸汽或气体的原子碰撞时使它们激发到更高的能级，受激原子返回基态时发出可见光或紫外线，紫外线通过涂敷的荧光粉转变为可见光［4］。

图3 感应灯—无极荧光灯

电磁感应的典型应用是变压器，很容易看到，这里的感应灯就是搬用了变压器的能量传输方式。搬用得巧妙合理，也是一种很好的创新啊，原来创新也不是高不可及。

（四）激光灯——受激辐射发光

激光和照明有什么关系？先要了解激光是什么？近代物理学的内容中讲到了激光。激光是在极短时间内使受激辐射的光得到雪崩式的放大而产生的，所以激光（1aser）的全称是受激辐射光放大（1ight amplification by stimulated emission of radiation）。受激辐射的特点是跃迁所发出的光子，在频率、相位、偏振方向、传播方向等方面，都与原来外界辐射场的光子相同。因而激光是相干性极好的光。而没有外界辐射场作用时，处于高能态的原子也可以跃迁至低能态，这种现象称为自发辐射，自发辐射发出的光子的偏振方向、相位及传播方向各不相同，即自发辐射光是非相干的。

激光怎么制造出来呢？产生激光的装置叫激光器。激光器的三个重要的组成部分是：工作物质、谐振腔、激励装置，见图4。工作物质用于激光器中受激辐射发出激光。用激励装置向工作物质提供能量，破坏它的热平衡状态，把大量原子激励到高能态上，形成高能态上的原子数远大于低能态上的原子数的分布，这种反常的分布称为粒子数反转。光学谐振腔使受激辐射远大于自发辐射。谐振腔由反射镜M1和部分反射镜M2构成。M1与M2相互平行，放置在工作物质两端，镜面垂直于工作物质的轴线。沿轴方向传播的受激辐射光在两镜之间来回反射，迅速被放大，其中一部分由M2输出。自发辐射光不会被放大，并且偏离轴线的光经几次反射就会逸出谐振腔。这样就保证了从M2输出的是方向性、相干性很好的激光束［5］。

图4 激光器的组成

很容易由激光的产生过程得出结论，就是激光与普通光相比较有相干性好、单色性好、方向性好和能量集中的特点。激光的这些独特性能，在很多领域得到了施展。例如激光干涉测量、激光照相、激光信息处理；激光通信；激光打孔、切割、焊接等等。在照明领域，激光用于空中光造型，演绎出丰富壮观的画面。一些大型的演出活动，也可以用激光来渲染热闹的气氛。

三、LED——未来照明的主力军

前面借助大学物理的理论知识解析了我们熟悉的一些照明光源，现在进入到LED的介绍。LED的问世，实现了半导体二极管的华丽转身，使二极管由原来在电路中的一个普通元器件蜕变为新世纪照明领域的宠儿。蓝光LED从理论的提出到研发成功，可谓千呼万唤始出来，到如今它也只有20岁，却引领了照明技术空前的变革。半导体二极管为什么能发光？LED的独特魅力何在？

（一）半导体PN结发光理论

大学物理的教学内容目前大多仅仅涉及PN结单向导电性和光生伏特效应，PN结单向导电性的实际应用很多，如晶体二极管、三极管、场效应管等。光生伏特效应是利用太阳光照射PN结产生电能，如太阳能光电池。正像法拉第在奥斯特发现电能生磁的基础上，提出磁能生电，总结出法拉第电磁感应定律。正像德布罗意用对比的方法分析问题，既然人们以前过多关注了光的波动性一面而忽视了它的粒子性，那么作为人们通常认为是粒子的电子，是否也过多关注了它的粒子性一面而忽视了它的波动性？德布罗意把爱因斯坦的光子具有波粒二象性推广到所有的实物粒子，提出物质波的思想。科学合理的思维提示我们，按照对比的方法，既然太阳能光电池是光能转换为电能，显然反过来电也应该能直接转换为光。

于是LED的发光原理就容易理解了，在某些半导体材料的PN结中，注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来，从而把电能直接转换为光能。PN结施加反向电压时，少数载流子难以注入，故不发光。这种利用注入式电致发光原理制作的二极管叫发光二极管，通称LED，见图5。当它处于正向工作状态时，电流从LED阳极流向阴极时，半导体晶体就发出从紫外到红外不同颜色的光线，光的强弱与电流有关。正如前面《科技日报》“蓝光LED引发第二次照明革命”一文中提及的，基于半导体PN结发光理论，早期就有红、橙、黄、绿、翠绿等颜色的LED。

图5 发光二极管

（二）LED的独特魅力

使用LED灯，能为人类节省大量能源，LED具有很多梦幻般的优点。

（1）光效率高：爱迪生发明的白炽灯效率约等16流明／瓦，1900年彼得·库珀－休伊特发明的荧光灯效率达到70流明／瓦，目前的白光LED发光效率的理论值则超过300流明／瓦。

（2）光线质量高：光源光色丰富，LED光源通过改变电流、化学修饰、单色光混合等方法，可以实现可见光波段各种颜色的发光和变色，且光谱主要集中在可见光区域，基本无紫外线或红外线辐射的干扰。根据LED光源的发光原理，LED的发光亮度或输出光通量基本随电流正向变化。而其工作电流在额定范围内可大可小，因此LED光源具有良好的可调性。LED光源可实现按需照明、用亮度来控制照明。

（3）能耗小：照明占据全球整个电能消耗的20%—30%，而新的白光LED的能耗仅为普通灯泡的十分之一，所以，白光LED的使用，能为人类节省大量的能源。

（4）寿命长：高质量的LED的寿命长达10万小时，而荧光灯的寿命1万个小时，白炽灯泡的寿命仅有1000个小时。相比之下，荧光灯的寿命是其十分之一，而白炽灯的寿命为其百分之一。可见LED又帮助节省了材料的消耗。

（5）无污染：由于LED光源在生产过程中无需添加金属汞，因此LED废弃后，不会造成汞污染，且其废弃物几乎可以全部回收利用，不仅节约了资源，还保护了环境。

当然也有制约LED广泛推广使用的瓶颈问题，像散热问题、光衰问题、价格太高等。当前全球能源短缺，环保呼声越来越高，LED的出现引领了照明节能的风向标。随着LED产品的日臻完善，我们有理由相信LED照明一枝独秀的时代不再遥远。除了照明外，LED还能实现短距离通信，飞机、医院、保密单位等电磁敏感区的无线通信。目前也有少量产品面世的OLED（有机发光二极管Organic Light Emitting Diode），比LED的性能更加优越。到此为止，我们自然深信：LED灯将照亮21世纪，成为照明的主角。这呼应了2014年诺贝尔物理学奖中提出的希望。

四、结论

最后不妨针对这次案例教学设计做一个简短的总结。现代文明对可见光的需求和依赖越来越多，人们试图用不同的方式产生可见光。电能的输入转化为金属丝的焦耳热，实现了热辐射发光；原子吸收能量，激发再跃迁到较低的能态，实现辐射发光；微波激励发光，电磁感应发光，受激辐射发光，使电能的转换效率越来越高；发光二极管一改二极管单向导通的开关作用，使载流子复合时释放出光子，使二极管华丽转身在照明领域扮演了新的角色，LED的节能、高效、良好光线质量和长寿命等许多梦幻般的优势，将担当21世纪照明的主力。人工可见光在照明、通信、光谱分析等领域迎来了勃勃生机。更值得一提的是，生物发光技术也在研发中，生物发光的实现，又将为全人类的环保照明开辟出新的神奇天地。

一个成功的大学物理教学案例设计，要选择引人入胜的问题作为切入点，2014年Nobel物理学奖刚刚尘埃落定，以此切入不失为一个很好的主题。这次教学设计结合了身边触手可及的事物——照明，使学生对物理知识有亲切可信的认同。拓展的教学内容源自生活又直击科技前沿问题，让学生体会到单调的物理学理论实实在在的应用。像黑体辐射、原子激发辐射、电磁感应、微波激励、激光、半导体发光，以可见光照明为载体，这些原本抽象难懂的理论不再深晦莫测。以一条照明的主线串起多个知识点，仿佛将一个个闪耀着物理学理论光芒的珍珠穿成了一串精美的项链，这也算是从一个新的视角对物理学知识的整理和归纳吧。

［1］宁长春，索朗桑姆．以科研工作介绍的融入促进大学物理教学［J］．大学物理，2012，31（8）：39－43．

［2］王瑞敏．以Hopfield神经网络模型为例的大学物理教学设计［J］．大学物理，2014，33（4）：44－48．

［3］马文蔚等．物理学（下册）［M］．北京：高等教育出版社，2002：218－224．

［4］周太明，周详，蔡伟新．光源原理与设计［M］．2版．上海：复旦大学出版社，2006：90－91．

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