本科毕业论文--LED光源在物理实验中的应用研究.doc

湖 南 科 技 大 学毕 业 设 计（ 论 文 ）题 目led光源在物理实验中的应用研究作者 易宇宁xxx学院物理与电子科学学院专业光信息科学与技术学号1108040115110804xxx指导教师唐海波xxx二一五年五月二十日湖 南 科 技 大 学毕业设计（论文）任务书 物理与电子科学学 院 光信息科学与技术 系（教研室）系（教研室）主任: （签名） 年 月 日学生姓名: 易宇宁 xxx 学号: 1108040115 110804xxx 专业: 光信息科学与技术 1 设计（论文）题目及专题： led光源在物理实验中的应用研究 2 学生设计（论文）时间：自 2015 年 3 月 1 日开始至 2015 年 5 月 20 日止3 设计（论文）所用资源和参考资料：（1）中国知网（2）百度百科（3）图书4 设计（论文）应完成的主要内容：（1）简介led的发展现状及应用（2）介绍led和几种传统光源的结构及工作原理（3）介绍led光源在物理实验中的应用5 提交设计（论文）形式（设计说明与图纸或论文等）及要求：（1）提交形式：论文。（2）要求：论文字数在8000字以上；查参考文献10篇以上；论文格式按照“湖南科技大学本科生毕业论文要求与撰写规范”撰写。6 发题时间： 2015 年 3 月 1 日指导教师： （签名） 学 生： （签名）湖 南 科 技 大 学毕业设计（论文）指导人评语主要对学生毕业设计（论文）的工作态度，研究内容与方法，工作量，文献应用，创新性，实用性，科学性，文本（图纸）规范程度，存在的不足等进行综合评价led光源具有光效高、寿命长、绿色环保等优点，近几年来不断有人尝试用led替代白炽灯、汞灯和钠灯等传统光源在实验中应用。但如何将led很好地应用到物理实验中，对于节能环保，提高实验准确性及安全性具有不容忽视的作用，同时对于led在我国的推广也有着深远的意义。易宇宁同学在研究led在物理实验中的应用时，能充分利用图书和网上资源，全面收集与选题相关的资料，综合应用所学专业知识，较全面地分析问题；同时，对待论文的态度端正，在论文的撰写过程中能严格按照老师的要求，按时按量地完成每个阶段给定的任务，工作认真细致，并善于分析思考，。对待论文的态度也极其端正。同时能充分利用图书和网上资源，全面收集与选题相关的资料，综合应用所学专业知识，较全面地分析问题。该论文思路清晰，结构完整，语言精练，主要观点突出，逻辑关系清楚，并经过了多次修改，。缺点，已达到本科论文的要求。不足：英语语言表达存在个别语法错误；同时引用他人观点的较多，缺少自己独创性的思想稍显不足。综合考虑，该论文达到了学士学位论文水平，同意论文答辩。指导人： （签名）年 月 日 指导人评定成绩： 湖 南 科 技 大 学毕业设计（论文）评阅人评语主要对学生毕业设计（论文）的文本格式、图纸规范程度，工作量，研究内容与方法，实用性与科学性，结论和存在的不足等进行综合评价该论文选题有一定的实用价值，切合现实的需要。本文结构较为完整，材料充实，叙述层次分明，论述观点突出，逻辑性较强，有一定的参考价值。论文表明，该同学对文献资料的综合分析能力较强，写作过程中能灵活运用各种资料，思维清晰，善于总结。不足之处：作者缺少自己独创性的见解。综合考虑，该论文达到了学士学位论文水平，同意论文答辩。评阅人： （签名）年 月 日 评阅人评定成绩： 湖 南 科 技 大 学毕业设计（论文）答辩记录日期： 学生： 学号： 班级： 题目： 提交毕业设计（论文）答辩委员会下列材料：1 设计（论文）说明书共页2 设计（论文）图 纸共页3 指导人、评阅人评语共页毕业设计（论文）答辩委员会评语：主要对学生毕业设计（论文）的研究思路，设计（论文）质量，文本图纸规范程度和对设计（论文）的介绍，回答问题情况等进行综合评价答辩委员会主任： （签名）委员： （签名）（签名）（签名）（签名） 答辩成绩： 总评成绩： 摘 要led是继白炽灯、荧光灯和高强度放电灯之后的第四代新光源，具有体积小，寿命长，环保安全等特点。本文主要研究led光源在物理实验中的应用及工作原理，首先简要介绍了led光源的发展历史及应用前景；接着将led与传统光源进行了比较，并分析了led相较于传统光源的一些优点；最后探讨了用led光源改良物理实验的方法，并提出了几点意见。关键词: led光源；传统光源；物理实验iabstractwith the characteristics of small, long-life, environmental protection and security, led is the fourth generation lighting after the incandescent lamp, fluorescent lamp and high intensity discharge lamp. in the paper, the applications and operating principles of led in physical experiment are researched. firstly, the history and prospects of led lights are briefly introduced.; then then, compare the led with and the conventional lights are compared, and analyze the advantages of led lights are analyzed. finally, the methods of to improving improve physical experiments with led lights are discussed and some suggestions are put forward.keywords: led lights; conventional lights; physical experimentsii湖南科技大学本科生毕业设计（论文）目 录第一章 绪论- 1 - 1 -1.1 本文研究背景及意义- 1 -1.2 本文主要内容与结构安排- 2 -第二章 led光源与传统光源- 3 - 3 -2.1 传统光源- 3 -2.1.1 传统光源的种类- 3 -2.1.2传统光源的应用与发展- 6 -2.2 led光源- 7 -2.2.1 led的特性及其工作原理- 7 -2.2.2 led的应用及其发展前景- 8 -2.3 led光源与传统光源的比较- 9 - 10 -2.4 本章小结- 11 - 12 -第三章 led光源在物理实验中的应用- 12 - 13 -3.1 led光源在光学实验中的应用- 12 - 13 -3.1.1 薄透镜焦距测定实验- 12 - 13 -3.1.2 led在全息照相实验中的应用- 13 - 14 -3.1.3 分光计读数照明- 14 - 15 -3.2 led光源在电学实验中的应用- 15 - 16 -3.2.1 led在自感现象演示实验中的应用- 15 - 16 -3.2.2 led在电磁感应现象演示实验中的应用- 16 - 17 -3.2.3 led在电容充放电演示实验中的应用- 17 - 18 -3.3 led光源在其他物理实验中的应用- 18 - 19 -3.3.1 led演示光纤通信- 18 - 19 -3.3.2 led在运动学实验中的应用- 19 - 20 -3.4 本章小结- 20 - 21 -第四章 结论- 21 - 22 -参考文献- 22 - 23 -致 谢- 23 - 24 -第一章 绪论- 1 -1.1 本文研究背景及意义- 1 -1.2 本文主要内容与结构安排- 2 -第二章 led光源与传统光源- 3 -2.1 传统光源- 3 -2.1.1 传统光源的种类- 3 -2.1.2传统光源的应用与发展- 6 -2.2 led光源- 7 -2.2.1 led的特性及其工作原理- 7 -2.2.2 led的应用及其发展前景- 8 -2.3 led光源与传统光源的比较- 10 -2.4 光度学相关参数简介- 12 -2.5 本章小结- 12 -第三章 led光源在物理实验中的应用- 13 -3.1 led光源在光学实验中的应用- 13 -3.1.1 薄透镜焦距测定实验- 13 -3.1.2 led在全息照相实验中的应用- 14 -3.1.3 分光计读数照明- 15 -3.2 led光源在电学实验中的应用- 16 -3.2.1 led在自感现象演示实验中的应用- 16 -3.2.2 led在电磁感应现象演示实验中的应用- 17 -3.2.3 led在电容充放电演示实验中的应用- 18 -3.3 led光源在其他物理实验中的应用- 19 -3.3.1 led演示光纤通信- 19 -3.3.2 led在运动学实验中的应用- 20 -3.4 本章小结- 21 -第四章 结论- 22 -参考文献- 23 -致 谢- 24 - ii -第一章 绪论建设资源节约型，环境友好型社会是我国在新世纪的一个全民参与的重大任务。随着产业的不断发展，在竞争激烈的当今社会，资源的使用愈发紧张，而照明耗能约占世界用电总能耗的25%。倘若用发光效率高、寿命长、绿色环保且成本低廉的光源取代传统高耗能、低效率光源，无疑将对我国乃至世界的可持续发展具有战略性意义。1.1 本文研究背景及意义led（light emitting diode）是一种半导体器件，它可以将电能转化为光能。led作为一种节能，高效，安全，耐用的新型光源，制作工艺日益趋于完善，传统光源行业受到led光源的冲击已成事实，不仅是因为led具有以上优势，同时也由于led在全球生产范围的扩大及生产技术的提升。作为常用电子器件，led被广泛地应用于电子产品、家用电器、仪器仪表中，并且在照明领域正逐渐取代传统光源。led照明的能耗仅是白炽灯的十分之一、日光灯的五分之一左右，若用led光源取代传统光源，不但可以减少能源的消耗不但可以降低资源的消耗，还可以减少二氧化碳气体的排放还可以减少co2气体的释放，从而抑制了温室效应。一项调查表明，我国平均每年在照明领域的用电可达三千亿度以上，若用发光二极管代替所有传统光源若用led代替所有传统光源，将至少可以节约30%的照明用电，这与总投资超过两千亿的三峡工程全年的发电量不相上下1。led的出现对解决日趋严重的能源问题而言，无疑具有举足轻重的意义。近几年半导体技术发展迅猛，led新品不断地出现。led不光在生活照明领域应用广泛，,在物理实验教学中的用途也显得越来越无可替代。物理学是一门研究物体结构和相互作用的科学，它以观察和实验为基础，实验对于学生理解和掌握物理现象的基本原理有着不可替代的作用，因此物理学也是一门实验科学。而在物理实验中，电学和光学实验往往占有较大比重，实验室使用的光源一般有汞灯、荧光灯和白炽灯等传统光源，这类光源发光通常需要用到变压器或镇流器，因此造成光源体积过大，使用很不方便。除此之外，这类光源发光效率普遍不高，使用寿命较短，安全性也不高2。由于实验经费和设备的局限性，目前国内大多数实验室使用的光源仍然是传统光源。随着科技的不断创新，产业的不断优化，led的光效也有了很大的提高，价格也逐渐走低。因为led光源具有光效高、寿命长、绿色环保等优点，近几年来不断有人尝试用led替代白炽灯、汞灯和钠灯等传统光源在实验中应用。发光二极管除了具有以上优点外 ，,还具有单向导通性、工作功率小、颜色多样等特性。在物理实验中,，利用发光二极管的上述特性,，（注意中英文标点符号的使用，后面相应的一并修改）可以生动地显示电流的流向及检测有无电流产生。因此，如何将led很好地应用到物理实验中,，对于节能环保，提高实验准确性及安全性具有不容忽视的作用，同时对于led在我国的推广也有着深远的意义。 1.2 本文主要内容与结构安排本论文的研究目标是led光源在物理实验中的应用情况，运用分析法与实验法，将led光源与钠光灯等常见的传统光源进行比较，从而得出led光源优于传统光源的方面，为led在物理实验乃至其他各个领域中的广泛应用提供理论基础在物理实验乃至其他各行各业的普及提供理论基础。本文一共四个章节，具体结构安排如下：第一章，绪论，对课题的背景来源、研究的意义和主要内容作了简要说明，并对相关研究的现状做简要分析。第二章，led光源和传统光源，介绍led和传统光源的工作原理、结构和应用等，并将led和传统光源进行对比。第三章，led光源在物理实验中的应用在物理实验中的运用，介绍led光源在几个物理实验中的应用及其工作原理光源在几个物理实验中的运用及其工作原理，并分析其实验效果优于传统光源的方面并分析其效果优于传统光源的具体表现。第四章，结论，总结研究情况并得出结论，收获和体会，同时指出整个设计工作中的不足之处和需要改进的地方。- 27 -第二章 led光源与传统光源本章简要介绍了传统光源和led光源的主要特征与工作原理，并指出了两者各自的发展史和应用情况。最后介绍了一些相关的光度学知识，以便我们更好地了解传统光源和led的具体特性，为后文介绍led光源在实验中的应用做铺垫。2.1 传统光源传统光源在我国出现得比较早，应用领域较为广泛，其主要包括以白炽灯、荧光灯和钠光灯等为代表的一般照明光源。传统光源由于其结构简单，造价低廉，在相当长一段时期内占有照明市场的很大比重。2.1.1 传统光源的种类1. 白炽灯白炽灯是照明史上出现得最早的电灯，它是通过将灯丝加热至很高温度它是通过将灯丝升高至一定温度，然后向外辐射形成可见光的。美国发明家爱迪生于19世纪70年代制成第一盏白炽灯以来，人们又对灯丝的材料、结构进行了各种各样的改进，白炽灯的光效也在这个过程中得到不断提高。近年来白炽灯的生产技术已趋于完备，然而由于白炽灯灯丝所耗电量只有一小部分能转化为可见光，其光效依然非常低，所以越来越多的国家和地区开始用其他高效光源取代白炽灯，白炽灯逐渐开始退出照明市场白炽灯逐渐被照明市场拒之门外。白炽灯的构造较为简单，主要由灯丝、导线、感柱、灯头、玻壳几部分组成玻壳几部分构成，其结构如图2.1所示3。图2.1 白炽灯结构玻壳：外形呈圆球状，由铂组玻璃制成，它使灯丝和外界隔离，既能起到保护灯丝的作用，又能最大限度地保持光的透过率。白炽灯在正常工作状态时下，其玻壳外表面的温度超过了100摄氏度。灯丝：目前的灯丝一般由钨丝构成。钨丝在高温下易与空气反应。通电以后，灯丝温度可以达到两千摄氏度以上，只要玻壳内存在少许空气，钨丝就会迅速被氧化成三氧化钨并被烧断。导线：由内导丝、杜美丝和外导丝三部分共同组成。内导丝用的作用是来导电与固定灯丝，一般由铜丝制成；外导丝的作用是连接灯头以保证供电，也是由铜丝制成；内、外导丝之间一段红色的金属丝即杜美丝，它同玻璃感柱密切结合，保证灯内的密闭环境。感柱：形状为喇叭状的硬质玻璃，与玻壳相连，既能固定灯内的金属部件，又能通过其抽走玻壳内的空气，使灯内形成真空。将其下端烧焊密封后，空气就无法进入灯内了。灯头：连接灯座和接通电源的金属器件，同玻壳粘结在一起构成密闭空间。2. 卤钨灯卤钨灯也是白炽灯的一种。与普通白炽灯不同的是，其玻壳内填充的是含有部分卤化物或卤族元素的气体，其结构如图2.2所示。在普通白炽灯中，高温下蒸发的钨容易在玻壳上大量积淀高温下蒸发的钨容易在玻壳内表面大量积淀，会产生使灯泡玻壳变黑的现象，从而使光的透过率下降，降低光效。卤钨灯的发明很好地改善了这一现象，它是在玻壳内充入六价元素氟、氯或溴等卤族元素，使它们和附着在灯内壁的钨反应生成卤化物。这些卤化物在高温下极不稳定，当遇到灼热的灯丝后迅速分解，又重新生成钨回到了灯丝上4。图2.2 卤钨灯结构为了使玻壳内生成气态的卤化物，卤钨灯的灯壁温度要比一般的白炽灯要高得多。所以卤钨灯的尺寸比白炽灯就要小很多，玻壳只能由耐强热的石英玻璃或硬质玻璃制成。由于玻壳尺寸小，硬度高，加之工作时温度较高，灯内的工作气压往往比普通白炽灯要大很多。由于在卤钨灯中钨的蒸发得到有效的抑制，玻壳的发黑现象也得到消除，所以灯丝工作温度和发光效率都大大提高，灯泡的寿命也得到相应延长。3. 荧光灯荧光灯是当前比较节能的照明灯具光源之一，它属于弧光放电光源。在通电后，灯内的气压迅速降低，气态汞在低气压的作用下会释放紫外线，从而使玻壳内壁上的荧光物质被激活，并发出可见光。荧光灯的结构如图2.3所示。荧光灯主要由灯丝和管型玻壳构成，玻壳内侧涂有一层荧光物质，灯丝又称为阴极，上面涂有一层电子粉。通交流电后，灯丝会交替转换为阴极和阳极。芯柱起到固定灯丝的作用，同时与玻璃灯管相连形成密闭空间，灯管内充满了水银蒸气与惰性气体5。在通电时，阴极发热产生并释放出自由电子，电子打在灯管内自由移动的汞原子上，能量发生了转移，汞原子吸收电子的能量后，释放出紫外线并被荧光粉充分吸收即可产生肉眼能够看见的光。图2.3 荧光灯结构4. 钠灯钠灯是利用固体钠在高温下形成蒸气并产生放电，从而形成肉眼可见的光的电光源。钠灯按其种类可分为低压钠灯和高压钠灯，其结构如图2.4和图2.5所示。低压钠灯是利用钠在低压环境下放电形成可见光的电光源，其正常工作时，灯内气压最多只有几个帕。在玻壳内充满了氩氖惰性气体。刚开始通电后，灯管呈现出ne的特征红光，随着灯内温度逐渐升高，钠开始蒸发并辐射出可见光。低压钠灯的发光光谱大部分集中在可见光光谱范围内，故其发光效率很高。高压钠灯大都由多晶氧化铝管，铁丝框架，电极与玻壳等部分组成，灯管内充满了钠，汞蒸气和稀有气体。放电时，灯管内部气压大于0.01兆帕。在恒定电压条件下，电路中一般需要串联一个稳压器以保证灯泡正常工作所需的额定电压。加电压后，电极之间形成电弧，使得管内温度迅速升高，电子从阴极逸出并向阳极运动，在此过程中不断撞击管内自由移动的钠原子和汞原子，并产生了能量转移，获得能量的钠原子和汞原子在恢复到稳定状态的过程中，会将一部分能量以可见光的形式释放6。 图2.4 低压钠灯结构 图2.5 高压钠灯结构2.1.2传统光源的应用与发展人类社会自发现火并利用火照明以来，走过了制造和使用油灯、煤气灯和蜡烛的漫长岁月，自1879年美国科学家爱迪生发明第一盏电灯以来，人类在照明之路上一直不断前进。照明光源是一种文化，是一段悠久的历史，它蕴含着人类文明不断前进的动力，凝聚着人类美好的理想和无穷的智慧。(将图片高度修改为7.83，否则，看起来大了一些)图2.6 传统光源在各种场所的应用传统光源在照明领域一直有着举足轻重的地位，随着科技日新月异的发展，传统光源逐渐朝着节能、高效、环保的方向不断发展，即使在led光源不断普及的今天，传统光源任然占有一席之地。传统光源的应用十分广泛，主要应用于各种不同场所的照明，如图2.6所示。 图2.6 传统光源在各种场所的应用2.2 led光源led作为绿色节能的新时期照明光源，有着许多传统光源未曾有过的优点及用途。本节主要对led光源的特性和工作原理做了简要说明，并对其应用前景进行了展望。2.2.1 led的特性及其工作原理led具备许多突出的特点，和一般的传统光源相比，它的发展潜力更大，用途更广。一般来说其优点主要有：1. 效率高：led是固体半导体发光器件，依靠电子获得能量跃迁发光，其发光效率可高达97%，远高于传统光源。2.体积小：led大都由一块被密封在透明树脂内部的微型晶片构成，尺寸较小，使用方便。容易开发成为各种精致的点、线、面型应用产品。3. 能耗低：led的工作电压一般为2-3.6v，工作电流一般为0.02-0.03a，故其功率较小，能耗较低。4. 寿命长：led使用透明树脂封装，能承受较大的压强和冲击，不易破碎，也不存在灯丝容易熔断等缺陷，其平均寿命可达一般光源的十倍以上。5.颜色多样：既有白光led，也有红、蓝、黄等多种色光的led，并且其光谱大都较窄，单色性相对较好。 6.绿色环保：led的零件都是由无毒材料制成，不像汞灯等其他传统光源含有重金属，对环境影响几乎为零；同时led能够循环再利用，处理的花费较低。7.安全可靠：led光源为冷光源，其工作时辐射少，热量低，对人眼危害较小，可以安全触摸，并且其发光光型和角度都易于准确控制，光色比较柔和，不含危害健康的物质7。led的优点如此之多，因而研究led的发光原理也是不可或缺的。led是一种注入型电致发光器件，是由族化合物在si型衬底的外延生长而形成，其主要部分是pn结。平衡状态下的pn结存在一定的势垒区域，形成图2.7所示的注入发光能带。将正向电压加在pn结区后，势垒降低，大量的非平衡载流子（电子）从扩散区注入，这些电子将从高能级ec跌落到低能级ev，并和价带中的多数载流子（空穴）复合，在这一过程中，电子从高能级跌落至低能级要释放一部分能量，释放的方式为发辐射或发光，显然发光集中在了p区。如图2.7所示，led在正向电压的作用下，电子和空穴做相对运动，即电子沿导带从n区向p区运动，而空穴则沿价带向n区移动。由于电子的迁移率比空穴高近20倍左右，电子便很快从n区移动到p区8；而p区因受主能级很深，并且形成了杂质能带，因而减少了有效带隙的宽度，电子易于跌落到价带与空穴复合并发光8。图2.7 led发光原理图2.2.2 led的应用及其发展前景自上个世纪90年代以来，led产业在全世界范围内飞速建立并持续发展。除中国外，美国、日本、韩国等国家及地区，都相继把发光二极管照明列为重点发展的高新技术，并先后制定了新型光源照明计划，想要在这一热门领域取得世界领先的水平。在led出现的初期，由于其光效不高且价格比较昂贵，led的普及一直受到很大制约。近几年随着led生产技术的不断革新，led的价格也有所下跌，目前led在国内许多地区已经投入使用，因为led光效较高，政府也一直提倡用led路灯替代传统路灯，民众逐渐意识到led光源的优点。根据官方推测，到本世纪中叶全球将迎来以led为主导的崭新的照明革命。led产品在各行各业都有一定的应用，大致可以分为以下三类：1照明应用：led光源在家用照明、汽车照明、路灯照明、应急照明等领域都有广泛的应用，其中电子设备的背光源是其应用最大的领域。图2.8为照明领域的具体应用。(将图片高度修改为7.83，否则，图看起来大了一些) a:led手电筒 b:led汽车前灯 c:led应用于水立方 d:led应用于背光源图2.8 led在照明领域的应用1照明应用：led光源在家用照明、汽车照明、路灯照明、应急照明等领域都有广泛的应用，其中电子设备的背光源是其应用最大的领域。图2.8为照明领域的具体应用。a:led手电筒；b:led汽车前灯c:led应用于水立方 d:led应用于背光源（将此图改为图2.6的形式）2显示应用：led光源亮度较高，可以应用于商场宣传、教育教学以及各种服务行业，如大屏幕显示、指示牌、广告牌等。图2.9为led用于显示的具体例子。 图2.9 led的显示应用3信号指示灯应用：如交通指示灯、汽车转向灯，在物理教学中，各种实验仪器的报警灯也大多是由led制成。图2.10、2.11是led在信号指示灯中的应用。 图2.10 led交通信号灯 图2.11 实验仪器信号灯发光二极管成为目前最具潜力的新型光源，正日益引起人们的广泛关注。led在早期的应用局限于一般的仪器显示灯和各种家用电器的电源显示灯，现在已经被普遍用于家用照明、汽车尾灯、交通信号和景观装饰等，以及现在不断普及的道路照明和led背光光源等，在二三十年的时间里，其快速的发展是众所周知的。在资源面临枯竭，环境问题亟待解决的今天，led凭着其亮度高、寿命长、环保节能等显著优势，在各种照明光源中崭露头角。用led取代传统光源已经指日可待，led照明必然开启人类照明领域一扇新的大门。2.3 led光源与传统光源的比较与led相比，传统光源的确存在或多或少的缺点，led光源的某些特点是一般光源不能取代的。首先将人类社会最早用到的电光源白炽灯与led光源做一下对比。白炽灯自发明以来，尽管经过了多次的改进，但其光效仍然不高，其次是其玻壳易碎，难以长期保存。因为白炽灯是依靠热辐射发出可见光，所以散热问题一直是白炽灯待解决的一大难题，白炽灯的寿命在照明光源中并不算长，所以今后被其他更节能的光源取代也已成定局。在节能环保的大潮中，越来越多的国家和地区已经开始禁止白炽灯的生产与使用，白炽灯逐渐从照明市场被淘汰。其次是现在最常用的荧光灯，从二十世纪三十年代通用电气公司对荧光灯改进以来，荧光灯的发光效率、使用寿命等多项性能都有了较大提升。因为荧光灯是发光效率较高的线状光源，操作控制比较简便，光色较白炽灯更加柔和，单个荧光灯的光通量可以达到几千流明，因为其亮度非常高，所以目前的室内照明大多使用的是荧光灯，加之其价格便宜，因此在目前的使用量不会减少，难以被led大规模取代。但荧光灯的汞污染问题一直受到民众很大关注，假如这一问题能够得到妥善处理，荧光灯在未来的照明市场仍能占有一席之地。最后是卤钨灯，近几年许多国家和地区先后制定了禁止白炽灯生产和使用的法案，但卤钨灯却未进入限制的范畴。从实质上来说，卤钨灯也是白炽灯的一种，受灯丝高温的影响，它的辐射绝大多数位于近红外波段，光效不可能达到很高，灯丝在高温下的蒸发，也限制了它的使用寿命，当前卤钨灯的光效和使用寿命仅略高于白炽灯9。卤钨灯安装使用简单，制作工艺也较为成熟，并且价格便宜，加之客户的需求习惯，卤钨灯在当今还有一定的生存空间。但从长远来看，为了适应节能环保型社会的需求，卤钨灯在未来还是有可能被led取代。综上所述，可知led光源在众多光源中确实有着其突出的特点，如发光效率高，寿命长，节能环保等。图2.12是led与几种传统光源发光效率的对比，表2.1是传统光源与led光源的参数对比。图2.12 led与传统光源的发光效率对比综上所述，可知led光源在众多光源中确实有着其突出的特点，如发光效率高，寿命长，节能环保等。图2.12是led与几种传统光源发光效率的对比，表2.1是传统光源与led光源的参数对比。图2.12 led与传统光源的发光效率对比表2.1 传统光源与led光源参数表光源种类发光效率（lm/w）显色指数（ra）色温（k）平均寿命（h）白炽灯1010027001000-1500卤钨灯2010032001800-3000普通荧光灯70702600-1000010000三基色荧光屏9380-852600-1000012000白光led65-80852600-1000020000-60000现如今，传统光源与led光源在不同的领域应用情况也有所差异。由于led比传统光源造价更高，如果从数目来看，led光源在户外装饰和仪器设备等领域应用得更为广泛，而在生活、工作应用得更多的仍是传统光源。对于一般的设施和场所，整体的照明大多数仍然使用传统光源，led光源只起到局部装饰作用；但对于高档场所如宾馆、酒店和小型会议室等，照明光源还是优先选择led光源，因为其可以达到更好的照明效果。2.4 光度学相关参数简介本文讨论了led光源的一些技术涉及到了光度学方面的内容，为了让读者更明白各参数的意义，先对本文将用到的光度学知识作简要介绍。光度学是研究各种光度量及其测定的物理学科分支，是探究光产生、传播和接收等过程中光的计量问题的科学。了解光度学能让我们对led光源的优良特性有更好的理解。光通量：人的眼睛能够感觉到的，单位时间内产生的辐射能即为光通量。其单位为流明，用符号lm表示。发光强度：特定方向上单位立体角内发出的光通量即称为发光强度，并用符号iv表示，发光强度的国际制单位是坎德拉，符号为cd。亮度：单位面积上的发光强度即称为亮度，用lv表示。亮度能够反应发光物体表面的发光强弱。照度：在被照射物体的单位面积上所能接收的光通量就称为光照度，用ev表示。它的单位是勒克斯，用lx表示10。2.5 4 本章小结和传统光源相比，led光源的优点有如此之多，但led光源的使用范围仍然十分狭窄，要想让led光源的应用更加广泛，使用更加普及，必须在技术不断提高的同时，适当降低产品价格，这样才能被广大消费者接受。第三章 led光源在物理实验中的应用物理实验中电学和光学实验占有较大比重，led作为一项重要的光电器件，在物理实验中一直有着举足轻重的作用。实验中使用的传统光源器件白炽灯、钠光灯和汞灯等传统光源大多效率比较低，体积大，寿命短，并且安全性不高。随着产业的不断发展，led因其工作电压低，可靠性高，寿命长，效率高等特性逐渐在物理实验中得到越来越多的应用。3.1 led光源在光学实验中的应用由于led光源有着亮度高，单色性好以及光色均匀等优点，因此在光学实验中经常把led作为光源。3.1.1 薄透镜焦距测定实验测定薄透镜的焦距有多种途径，实验室最常用的有自准法以及物距像距法。自准法是通过调整实验仪器位置，使光源穿过透镜后形成平行光源以实现调焦目的。而物距像距法是运用一组凹透镜和凸透镜来实现的，通过测出实像和虚像的具体位置，然后运用高斯公式得出焦距。图3.1和图3.2分别为自准法和物距像距法的实验图。图3.1 自准法测焦距图3.2 物距像距法测焦距在做“薄透镜焦距测量”实验时，我们最常用到的光源是由白炽灯和透镜构成的平行光源。钨丝灯作为利用热辐射发光的传统光源，发热量较大，为确保灯丝在正常工作时避免因高温熔断，该实验光源的散热装置被设计成平行百叶窗式，因此在这个部分会有一些光线泄漏，从而使得整个实验装置背景光过强，对实验结果的准确性造成了很大影响。特别是当测量透镜组的焦距时，因为背景光对实验干扰较大，实验的结果并不令人满意10。解决该问题的方案是用一个半径为5厘米的高亮度红色led来取代屏幕照明，并对该led进行一定的改装，在led的顶部5毫米处横向切割环氧树脂外壳，如图3.3所示，然后用砂纸打磨切割面使之平滑。在led的工作状态下，磨砂面具备漫射光的特性，因此能够有效减弱光学暗室的背景光，从而使实验结果得到显著改进。此外，因为使用的是单色led，因此有效减少了透镜组的色散对实验效果的干扰11。图3.3 led加工示意图3.1.2 led在全息照相实验中的应用全息照相的应用十分广泛，它是一项以干涉、衍射等光学理论为基础的技术。全息图可以记载物体的全部光信息，包括物体每一处的振幅与相位；全息图中每个位置都包含了物体的具体信息，因此全息底片的每个角度都能观察到与实物十分相似的立体影像。另外，由于全息照相的记录与再现需要使用相干性很高的光源，所以实验室一般使用的是氦氖激光。全息底片被氦氖激光照射时，可以看到与物体十分类似的立体虚像；但在白光照射时难以再现，无论白炽灯、卤钨灯还是低压汞灯，都由于光源的单色性与点光源这两大要素不能同时达成，再现效果十分不理想。而led在这两个方面表现出了自己的独特之处：首先是其单色性不错，其次是它具备特定的发散角度11。使用led代替he-ne激光来再现物体时，其效果与在he-ne激光下的效果如出一辙，如图3.4所示。尤其是黄光led作用更加明显，而且操作起来也非常方便12。图3.4 led在全息照相中的应用全息照相在许多行业中都有运用，但目前许多还处在起步阶段。如全息通信技术，全息显微技术和全息干涉技术等，随着生产工艺的不断突破和革新，全息照相技术将在人们的生产生活中占据着越来越重要的地位，led在全息照相技术中的应用也会日益广泛，在未来不断发展的全息科技中，led必将发挥其无可替代的作用。3.1.3 分光计读数照明在做“光栅衍射”演示实验时，因为受读数照明灯影响较大，光学暗室内背景光变得过亮，在观察汞灯的二级谱线时，由于光谱线处于背景光中难以区分，因此想要精准地确定光谱的坐标十分困难，个别仪器甚至不能分辨出二级光谱。利用实验提供的交变电源，按图3.5所示电路连结好led和电阻r。led采用半径为3毫米的彩色led ，电阻r阻值一般较大，此处采用2千欧。因为led也同一般二极管类似，只有在pn结加正偏压时才呈现为导通状态，故该电路等效于半波整流电路。图3.5 电路连接原理图实验中我们采用的发光二极管半主光束角不大于3，因为led具有良好的聚光性能，在正常工作时，光源距光屏约为25厘米，聚光区光斑半径小于1厘米，并且聚光区照度至少可以达到16坎，而聚光区以外的照度不超过2.0坎。由此可见，这一措施在不影响读数的情况下，有效降低了实验背景光的亮度，对实验结果的准确性具有十分重要的意义。3.2 led光源在电学实验中的应用led具备单向导电性能，能构成限幅、电平选择等多种电路。led不仅可以作为光学器件，在电学实验里的运用实例也数不胜数。3.2.1 led在自感现象演示实验中的应用当线圈中的电流发生改变时，它周围的磁场也会随之改变，并由此引起磁通量的变化，此时在线圈中就会形成感应电动势，这个电动势总是阻碍着线圈中原来电流的改变。此电动势即自感电动势，这种现象就叫做自感现象。实验室通常使用两个小灯泡的并联装置来演示自感现象，如图3.6所示。合上开关k后，小灯泡a21立即就亮了，而a12则是慢慢变亮，最终达到与a21一样的亮度。但这个电路存在两点不足：一方面由于两个线路分开演示，学生容易对通、断电时的自感现象形成误解，另一方面从灯泡的亮灭情况无法明确电流的流向12。图3.6 传统的自感现象演示电路为了能较好地展示通、断电自感现象，我们可以在不改变原电路结构的基础上，用led替代a1，a2两个小灯泡，以达到更好的实验效果。改进后的电路如图3.7所示。其中d1，d2是一对反向并联的发光二极管，d1取红色，d2取绿色。图3.7 改进后的电路连通开关k后，即可观察到电阻支路的d1迅速变亮，而小灯泡则逐渐变亮。断开开关k后，d1迅速熄灭，d2闪烁了一下后熄灭，通过该现象即可解释自感现象。利用此电路既可以验证有无电流产生，又可以同时观察到电流的流向，从而能使学生更好地认识自感现象的本质。3.2.2 led在电磁感应现象演示实验中的应用置于变化磁场中的导体，会因为磁通量的不断改变而形成电动势，这种现象就是人们常说的电磁感应现象。课本上常见的电磁感应实验是通过电流计来检测线圈中是否有电流产生以及电流的流向的。如图3.8所示，可以依据电流计的指针偏转方向来确定感生电流的方向，但必需在实验之前先确认电流流向和电流计指针旋转方向的关系。而实际实验时指针会因为惯性旋转非常混乱，所以实验现象往往受到较大干扰。图3.8 电磁感应实验连接图由于led具有单向导电性和发光特性，因此可将实验装置改进成图3.9所示。其中d1，d2为一对反向并联的led。当磁铁相对于线圈静止时，回路中无电流形成，两只led均不发光。将磁铁插入线圈时，可观察到d1亮，d2不亮，表明线圈中的磁通量发生了变化，线圈中产生了电流，且其流向如图中i1所示。将磁铁快速拔出线圈时，d2亮，d1不亮，说明线圈中的磁通量又发生了改变，此时产生的感应电流方向如图中i2所示133。图3.9 改进后的电路这一实验现象很好地说明了电磁感应的一般规律，并且在实验中可以根据两只led的发光情况简单准确地判断出电流方向，避免了不必要的实验误差，使实验效果得到了很大提高。3.2.3 led在电容充放电演示实验中的应用在电容器的充放电实验中，我们只对其进行了理论上的分析，学生无法形象地看到电容器的充放电过程，因此对实验的原理并不能很好地理解。电容具有充放电的特性，我们可以利用如图3.10所示的装置较好地演示这一现象。图3.10 电容充放电演示装置装置中使用了两个反向并联的ledd1和d2，其中d1取红色，d2取绿色。当开关k打至1时，电容开始充电，d1发出红光，并且开始较亮，而后逐渐变暗，最后熄灭，而d2始终不发光，这说明了充电电流是由大变小，最后变至零的。待d1熄灭后，将开关k打至2，此时电容开始放电，d2发出绿光，并且开始较亮，而后逐渐变暗，最终熄灭，d1始终不发光，这说明了放电电流也是由大变小，最终变为零，同时也说明了充电电流和放电电流在回路中的流向是相反的。用这个装置还可以检测电容性能的好坏。如果电容c漏电或短路，则在充电时两个发光二极管d1与d2会交替亮暗。若电容c容量枯竭或开路，则两者都不会发光。通过此实验装置，学生能直观地认识到电容充放电时电流大小和方向的变化，对实验原理的理解将更加深刻。3.3 led光源在其他物理实验中的应用led优良的特性确立了其在实验中独一无二的特殊地位。近年来，随着实验设备的不断更新换代，led除了在光学和电磁学中广泛的应用外，在其他实验中也逐渐发挥其独特的作用。3.3.1 led演示光纤通信光纤通信作为一门高新技术，在最近几年发展十分迅速，应用领域也十分广泛。光纤在光纤通信中有着举足轻重的作用，而其工作原理也是物理教学中一个重要部分，我们可以通过以下实验来演示其工作原理，让学生加深对光纤通信的理解。实验需要的器材有：一根透明的塑料管，其内径要求和发光二极管的直径相同，在其中灌满水，来模拟光纤；集成音乐卡一枚，可以在旧传呼机、音乐贺卡中拆得。为了使发光二极管能在较小音乐电平时导通，以减小声音的失真，首先需将音乐卡的输出端接入放大器，使声音信号放大，连接时注意要找准led的正负极。塑料管的另一头端和与光敏二极管相连连接，光敏二极管再与电池相接光敏二极管后接电池，连接时同样需要注意接对正负极，最后再将其接入录音机或功率放大器的拾音插座。装置连接如图3.11所示，为了能够较好地还原声音信号，在连接发光二极管和光敏二极管时需要保证塑料管内没有气泡产生。图3.11 光纤通信实验装置当音乐卡通电时，发光二极管会随之闪烁，光信号借助塑料管中的水发生全反射并最终到达光敏二极管，光敏二极管将接收到的光信号转化为电信号，然后送入拾音插座放大，最终就得到了还原的声音信号144。由于发光二极管存在门限电压，声音在传播的过程中会有一定的失真，但这并不影响我们对实验原理的理解。3.3.2 led在运动学实验中的应用在运动学实验中，我们常常需要根据物体的运动轨迹来推算出物体的速度、加速度等未知量，由于物体运动速度较快，普通的描绘方法难以准确地还原物体的运动轨迹，此时就需要用到频闪仪了。频闪仪可以发出间隔时间非常短的闪光，当闪光频率与物体的运动速度相似时，利用视频跟踪就能很清楚地观察到高速运动物体的具体状况。图3.12为led频闪仪。图3.12 led频闪仪由于发光二极管响应速度迅速，因此常用作频闪光源。与旧式频闪光源相比，led频闪光源不仅体积更小，而且亮度也有了很大的提高，与数码相机连接后用于实验演示十分便捷。同时因为发光二极管是低压供电，学生实验过程中也保障了安全。将多个高亮度发光二极管并排安装在电路板上构成的一个简单的频闪仪，电路如图3.13所示。再将其接至低频信号发生器的输出端。通过调节信号源的频率就能调节频闪仪的频闪间隔，通过调节信号源的输出功率就能调节频闪仪亮度。在进行实验时，先启动频闪仪，