穿越火线职业

1.课题背景

1.1探究性实验课程“科探方舟”

“科探方舟”课题研究项目是穿越火线职业与中科院合作，中科院京区科协牵头设计的品牌科学产品。

“科探方舟”科学盒子是一个集成了多种科学实验工具与材料的探究性实验课程，这里有各种各样有趣的科学实验和新奇的头脑风暴，旨在激发学生对科学的兴趣和探索精神。通过这个盒子，学生们能够亲手操作实验，深入理解科学原理，培养实践能力和创新思维。

本次课题便是基于科探方舟科学盒子中的材料，对LED灯的光色复配及发光性能进行深入的研究。

1.2课题简介

20世纪末发明了白色LED灯，开启了半导体光源新时代，LED灯对比卤素灯、荧光灯，具有能效高、寿命长、无有害物质等优势，成为现代光学器件重要元件。

本课题旨在探讨LED灯与其他电学器件之间的差异，特别是它们的正负极特性以及伏安特性曲线的对比。通过实验，我们将详细分析LED灯的光色复配及发光性能，同时对比卤素灯等其他电学器件的特性。此研究不仅能够帮助我们更好地理解电学器件的工作原理，还能为未来的科学研究和应用开发提供有价值的参考。

2.实验过程

2.1实验准备

由于小组成员较为分散，在观看过《实验探究》课程视频，对实验所需知识进行充分学习后，我组采用腾讯会议的形式进行研究讨论，制定实验计划，分工合作，共同完成三个课题的探究任务。

2.2实验过程

课题一：探究LED灯产生白色光源的机制

实验目的：将不同光源及不同荧光粉进行组合，探究不同组合产生光的颜色，并找出能产生白色光的组合。

自变量：不同搭配组合

因变量：光的颜色

课题二：探究LED灯与其他光学器件间的差异

实验目的：了解基本电学仪器的使用方法，掌握分压电路的连接方法，能够测出不同电学器件的伏安特性曲线，并能够使用作图法处理实验数据。

课题三：探究LED灯的节能潜力

实验目的：通过对不同LED灯和卤素灯的电压、电流和光照度进行测定，探究不同发光器件的光效差异，得出LED灯的节能潜力。

自变量：不同发光器件

因变量：光效

2.3结果分析

在不同LED灯组合发光测试的初次实验中，我们发现，在相同电压下，红色LED灯的光通量最大，绿色LED灯的光通量其次，蓝色LED灯的光通量最�。獾贾虏煌�LED灯的混合光色接近光通量大的LED灯光色，阻碍了实验的进行。因为三色LED灯光效相同，故由实验现象可知红绿蓝三色LED灯的电功率大小依次降低。因此，我们在红色LED灯和绿色LED灯的支路上串联不同阻值的电阻以降低两者的电功率大小。经实验操作，我们小组成功将三色LED灯光通量调整至相等。在4次灯光组合实验中，我们发现，将红绿蓝三色LED灯组合发光时可产生白色光源，但不同LED灯组合产生的光源中间和边缘的光色分布不均匀。

通过探究实验、讨论分析，我们发现：

●将红绿蓝三色LED灯组合发光或将蓝色LED灯和黄色荧光粉组合均可产生白色光源，其中蓝色LED灯和黄色荧光粉组合所产生的白色光源光色分布较为均匀，光源质量更高，应用更加广泛。

●不同光色LED灯和卤素灯的伏安特性曲线为非线性关系，电阻值不固定，伏安特性曲线不是直线。定值电阻的伏安特性曲线为线性关系，电阻值固定，伏安特性曲线近似一条直线。

●其他条件相同时，白光、绿光、红光、蓝光LED灯光效逐渐变小。

3.课题报告

LED灯与其他电学器件间差异研究

刘禹赫

摘要：本探究旨在探讨LED灯与其他光学器件间的差异。分别将红绿蓝三色LED灯、卤素灯、10Ω定值电阻依次正接、反接入9V分压式电路中，测量出其电流随电压的数据变化后，绘制出伏安特性曲线。结果表明：1)红绿蓝三色LED灯正接发光，反接不发光；卤素灯和10Ω定值电阻正接和反接都发光；2)LED灯和卤素灯的伏安特性曲线为非线性关系，定值电阻的伏安特性曲线为线性关系。结果提示：LED灯具有单向导电性，而卤素灯和10Ω电阻具有双向导电性，且LED灯与卤素灯的电阻随电压而变化。

关键词：LED灯；卤素灯；定值电阻；伏安特性曲线

一、研究背景

20世纪末，高亮度的红色、绿色、蓝色LED灯相继问世，人们制造出白色LED灯，开创了半导体光源的新时代。

传统光学器件（如卤素灯、荧光灯等）能效低、寿命较短、含有某些有害物质，而LED灯作为一种新型固体光源，具有响应速度短、使用寿命长、光效高等优点，是现代光学器件中的重要元件。因此，本小组猜测：LED灯与其他电学器件在光效、发光原理等方面存在显著差异。探究这些差异对于理解LED灯的优势和应用前景具有重要意义。

本研究使用控制变量法探究LED灯在伏安特性方面与其他电学器件间的差异。

二、实验材料

1.实验仪器：导线（科探方舟实验盒附），3V电池盒（科探方舟实验盒附），1.5V电池（华太新能源电池有限公司），20Ω滑动变阻器（科探方舟实验盒附），10Ω金属膜电阻（科探方舟实验盒附），迷你面包板（科探方舟实验盒附），1w带铝基板带线绿光LED（科探方舟实验盒附），1w带铝基板带线红光LED（科探方舟实验盒附），1w带铝基板带线蓝光LED（科探方舟实验盒附），两脚卤素灯（科探方舟实验盒附），0~5V电压表（涪江电器有限公司），0~500mA电流表（涪江电器有限公司）

三、研究过程

1.实验准备

1.1确定电流表和电压表的正负极

用电源正负极短暂接触电流表的两端，在电流表上判断并标出正负极，同样的方法确定电压表的正负极。

1.2取用实验仪器

取20Ω滑动变阻器、3个电池盒、待测LED灯、卤素灯、电流表、电压表和导线，将三个电池盒的正负极依次相连，装入6节电池，组成9V的电源。

2.连接电路

图1

按照图1连接电路。分别在滑动变阻器的A、B点连接电源正负极，连接电流表，将滑动变阻器滑片调至电压为0的一端(A端)；电压表一极与电源相连，另一极与电流表相连。

3.探究不同电学器件正负极差异

3.1接入红色LED灯

取红色LED灯和面包板，将红色LED灯针脚插入面包板，使其正极与电源正极相连，负极与电源负极相连，滑动滑片，观察电压表和电流表的变化以及LED灯发光情况，然后反接LED灯(即正极与电源负极相连，负极与电源正极相连)，滑动滑片，观察电压表和电流表的变化以及LED灯发光情况，记录数据。

3.2接入其他电学器件

参考红色LED灯测试方法，依次测试绿色、蓝色LED灯以及卤素灯，观察并记录发光情况。

4.探究不同器件的伏安特性曲线差异

4.1接入红色LED灯

按照图1连接电路。取红色LED灯和面包板，将红色LED灯针脚插入面包板，使其正极与电源正极相连，负极与电源负极相连，将滑动变阻器滑片调至电压为0的一端(A端)，滑动滑片，当电压表和电流表显示数值时，停止滑动，并记录此时的电压和电流值，继续滑动滑片，依次记录20组电压-电流值。

4.2记录数据

断开电路，将LED灯的正负极调换位置，重新插入面包板，分别测定20组电压-电流值，记录数据。

4.3接入其他电学器件，记录数据

断开电路，更换绿色、蓝色LED灯、卤素灯以及定值电阻，重复上述步骤,得到其他各种电学器件的电压-电流值，记录数据。

5.处理数据并分析

分别将LED灯、卤素灯和电阻的数据绘制在坐标轴上，将正向和负向电压电流数据绘制在不同象限，比较不同电学器件伏安特性曲线的差异（如图2）。

四、结果与分析

通过表1可看出，将LED灯正接时，LED灯中有电流通过；而将LED灯反接时，LED灯中几乎无电流通过。对于卤素灯和定值电阻，正接和反接对其正常发光没有影响。

表1 不同电学器件电流随电压变化表

图2

五、结论

1.LED灯有正负极之分

LED灯接正向电压时，电流随电压的增大而增大，LED灯能发光；LED灯接反向电压时，电压增大，电流不变，LED灯不能发光。

2.卤素灯没有正负极之分

卤素灯接正向电压时,电流随电压的增大而增大，卤素灯能发光；卤素灯接反向电压时，电流随电压的增大而增大，卤素灯能发光。

3.根据各电学器件的伏安特性曲线图可知：

3.1不同光色LED灯的伏安特性曲线为非线性关系，具体表现为LED灯的电阻值不固定，伏安特性曲线不是直线。

3.2卤素灯的伏安特性曲线为非线性关系，具体表现为卤素灯的电阻值不固定，伏安特性曲线不是直线。

3.3定值电阻的伏安特性曲线为线性关系，具体表现为定值电阻的电阻值固定，伏安特性曲线近似一条直线。

六、参考文献

[1]王晓明,郭伟玲,高国等. LED--新一代照明光源[J].现代显示,2005(53):15-19.

[2]大谷义彦,夏晨.LED照明现状与未来展望[J].中国照明电器,2007(6):20-24.

[3]窦林平.国内LED照明应用探讨[J].照明工程学报,2011,22(6):51-58.

[4]杨林,刘群兴,朱文立.LED照明的质量可靠性研究分析[M].北京:电子工业出版社,2015:3-4.

[5]谷洪亮.LED相控调光与有关问题[1].今日电子,2013(50):33-36.

附录

连接电路

接入红光LED

接入卤素灯

记录数据