发光二极管在高中物理低成本自制教具中的妙用

丁光潮 王修权

(1. 甘肃省永昌县第七中学,甘肃 永昌 737200;2. 甘肃省永昌县第一高级中学,甘肃 永昌 737200)

动手开发低成本自制教具及物理实验，既激发了师生科学探究的精神，又为教学和研究创建了良好的平台．笔者在研发与电磁感应相关的自制教具时，发现在电磁感应现象、楞次定律等实验中，发光二极管能起到许多独特的作用。这些实验可以利用发光二极管所发光颜色、亮暗来判断电流的有无及方向，实验电路简单巧妙、性能好、功能多，实验现象直观明了，操作简便、安全、可靠。现结合几个自制教具，探讨发光二极管的作用。

1 楞次定律演示仪1

图1

在电磁感应现象和楞次定律的教学中，笔者自制了楞次定律演示仪，实验原理如图1所示，该仪器主要由发光二极管、线圈、强磁铁、电流表构成。如图2所示,当条形磁铁N极插入(或拔出)螺线管时，通过螺线管的磁通量发生了变化，螺线管中将产生感应电流，根据蓝、绿二极管发光可以判断感应电流的方向，再由安培定则判断感应电流的磁场方向，并记录实验结果；将条形磁铁S极插入(或拔出)螺线管，再次实验并记录实验结果。通过对实验结果的分析、比较，总结出楞次定律。

图2

该演示仪主要利用了发光二极管的单向导电性，同时也利用了其亮度强弱与电流大小之间的关系。它不仅可以演示、探究感应电流的方向，还可通过对比分析磁铁快速插入螺线管和缓慢插入螺线管时发光二极管的亮度的不同，探究感应电流大小的影响因素。

2 楞次定律演示仪2

楞次定律中的“阻碍”不是阻止，阻碍过程是一个能量转化的过程，为帮助学生更好地理解“阻碍”的深层次含义，笔者用生活中常见的物品自制第二款楞次定律演示仪。

该仪器的主要制作材料为：透明加厚塑料(90cm×18cm)两块、铝环(取自于废旧灯具)6只、永磁汝铁硼强磁铁(D25×10mm)4只、发光二极管两只、细木棒两根(10cm)、玻璃珠、铜丝等。在远离铝环的一端缠绕线圈500匝左右，并与两只发光二极管串联在一起，这两只发光二极管的极性相反、并联在一起。

如图3所示,将整个装置竖直放置，将4只磁铁放在一起，从铝环上方释放，二极管发光，表明在回路中有了电流，从能量的角度去分析，在此过程中将一部分重力势能转化为电能，而能量的转化需要力做功去完成，教师引导学生进一步分析可知：磁铁下降过程中克服安培力做功，这是一个能量转化的过程。该演示仪用线圈与发光二极管串联，当磁铁穿过线圈时，二极管发光，实验现象明显，也能很好地激发学生的学习兴趣。

图3

3 断电自感演示仪

自感实验是高中一个很重要的物理实验，利用发光二极管将原电路加以改进就可以显示电流的方向，能使实验现象清晰明了。实验电路如图4所示，实验装置如图5所示。该演示仪制作材料为：镇流器、发光二极管、干电池等。

图4

图5

闭合电键K，二极管D1发光，断开电键K,镇流器中会产生自感电动势，电流通过L→D2→L形成回路，二极管D2发光，二极管D1熄灭，由此可以反映出电流的方向，演示断电自感现象。

4 电容器充放电演示仪

演示仪的电路如图6所示,实验装置如图7所示。选用电容较大(1000μF以上)的电解电容器，这样才能使发光二极管有足够的发光强度，保证实验的可视性。D1和D2分别选用额定电流较大的黄色和绿色的发光二极管，以区分充、放电的电流方向。闭合电键K2给电容器C充电，发光二极管D2发光，然后逐渐熄灭，发光二极管D1不亮；充好电后，断开K2、闭合K1，电容器C放电，发光二极管D1发光,二极管D2不亮，在电容器C放电过程中发光二极管D1逐渐熄灭。充、放电时不同的发光二极管发光,显示出充、放电的电流方向不同，实验电路简单、现象明显。

图6

图7

5 二极管的直接应用

5.1 交流发电机中显示交流电的方向和强弱

交流发电机在工作时,线圈每通过中性面一次，电流方向就改变一次。在许多发电机的模型中(如J2417)用的都是小灯泡,只能看出是否有电流通过,不能看出电流方向的变化。为克服这种不足，可以将小灯泡换成发光二极管。如图8所示，将两只发光二极管一只正接、一只反接，在发电机工作时两只二极管交替发光，可演示电流方向的变化，能见度较好。

图8

手摇转速加快时，二极管的亮度增大，同时二极管“一闪一闪”的频率也加快，由此说明，交流发电机的交流电频率与手摇转速有关，交流电流的大小也与转速有关。

5.2 用于欧姆表测量电阻

多用表的使用是高中物理教学难点，特别是用欧姆挡测量电阻时，学生在选挡问题上存在困惑。用欧姆表测量发光二极管电阻时，通过对比正向电阻和反向电阻，特别是测量正向电阻时二极管还会发光，可激发学生的学习兴趣，学生就会在探究实践中掌握欧姆表的选档原则。