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利用LED学习电学与工程学

工程 物理 小学高年级 初中

教学目标

在学生学习电学时,他们通常被要求完成一个包含电池、导线和灯泡的简单电路。在上述电路活动中,通常根据一个发光的白炽灯泡来确定该电路是通路。本活动用发光二极管(LEDs)代替白炽灯泡来开展电路课程的教学。这些动手做活动通过以下几个方面帮助学生更好地理解电学: 1、构建并联电路, 2、展现他们对“电能如何随着每个新电路和电路结构而变化”的认识, 3、通过设计一个能执行具体任务、真实并有实际使用价值的电子器件,来运用他们所学到的知识。
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中国科技教育杂志

引出问题——LED是如何工作的?

由于LED阵列比传统白炽灯泡效率要高75–80%,发光二极管在很多消费性电子产品中都有应用,如电视机、电脑和智能手机。


白炽灯借助发光金属灯丝发光,紧凑型荧光灯(CFLs)利用灯管中电子与汞和磷的相互作用发光,而LED利用灯泡中电子在半导体材料之间的交换发光。这被称为电致发光(electroluminescence)。当施加电流时,包含不同化合物的半导体材料发出各种波长的光,从而呈现各种颜色。目前,LED常见的有红色、绿色、蓝色、黄色、橙色、紫色、粉色和白色。


这些小型电子器件比白炽灯和科学课堂中使用的许多其它电子元件更安全、更便宜、更耐用,并且LED非常便于使用。


制作LED电路

学生使用2节1.5V的AA电池、2根导线和一个LED来开展活动。首先让学生两人一组自己尝试不同的电路结构,这样就可以了解学生对于电路已有的认识。可能会有一个或几个学生已经具备了一些使用这些材料的经验,能够帮助那些没有经验的学生。给学生提供足够的时间采用各种方式来排布这些电路材料,直到他们用某种排布方式成功点亮该LED(图1)。


安全提示:没有经验的学生在试图完成他们的电路时,可能会无意中使电池被导线短路。这会损害电池,并可能使电池和导线过热。


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图1 学生所绘成功运行的LED电路排布的示意图


有些学生会发现他们接入到一个正确闭合电路中的LED不发光。他们需要变换LED或电路的极性,并意识到二极管只允许电流向一个方向流动;也就是说,接入方向错误的LED是不会发光的(图2)。这强调了电路的极性,并凸显了以下综合概念:实际电路在一个常规回路中不会只是简单元件的连接,而是一系列相对更复杂的元件在许多支配电流和电压的限制法则下运行。


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图2 检验电路的极性


要求学生重新排布他们的LED电路。一个成功运行的电路有多种排布方式。学生应该记录下各种电路排布的示意图(图1)。



使其量化

电子器件被设计用来作为一种工具或完成某个任务。电路中的元件能够执行相应任务的前提是要正确地排布它们。白炽灯即使在小于最佳电流时通常还能发出昏暗的光,与之不同,LED经过设计,只有当电路中存在特定的电量时才会发光。例如,许多红色LED的额定电压为2伏,蓝色LED的额定电压为3伏。也就是说一个红色的LED只有当二极管两端存在2伏电压时才会发光,一个蓝色的LED只有当两端存在3伏电压时才能工作。这使我们可以进行一些额外的探究。


第2课中,给每个小组提供第2个LED,并引导他们用两节AA电池将电路中2个串联的LED同时点亮。询问学生:“你将如何排布你电路的各个组成部分?” 要求他们画出电路结构图。学生会发现,当2个LED串联连接时,仅用2节1.5V的电池不能点亮它们。有些学生可能会开始用公式表示单独和同时点亮LED所需的电量或电压与LED数量之间的关系。学生了解到各个LED会对电流产生累加电阻,并且当有需要时可以利用电池的加和性得到一个累加电源。需要多少节电池才能同时点亮2个串联的LED?开展一个调查并汇总学生的论据,随后让学生试着加入第3节电池,亦或第4节电池。他们应该能够发现,仅用3节1.5V的电池就能点亮两个2V的串联连接的LED。


评价:在他们画出电路图之后,让每一位学生说明该电路成功点亮或未能成功点亮LED的原因。学生关于LED数量和所需电池数量(或电压伏数)的回答表明该学生已经获得了一些关于一般电路和LED(在电路中充当电阻器)的操作知识。


引导学生提出创意

现在告诉学生,他们仅用所提供的2节1.5V的电池和导线就能够同时点亮2个LED,但前提是他们能找到正确的排布方式(图3)。让学生们相互竞争,看谁能首先满足要求。给学生一些“创意时间”来锻炼批判性思维。我的经验是,至少1个学生或1个小组最终会偶然发现仅用2节电池点亮2个LED所需的电路结构——“并联电路”。鼓励已经成功完成的学生帮助其他学生完成该并联电路。


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提供时间让学生讨论串联电路和并联电路之间的异同点。这时也是进行书面总结的好时机,其中可以包括对相关词汇的定义:LED,电压,电流,电阻,串联电路和并联电路。让学生解释为什么并联电路能同时点亮2个LED,而串联电路不能。让学生相互分享和评判各自的猜想,并紧接着开展一些关于串联和并联电路在电流和电压分配方面有哪些不同的正规教学(表1)。通过让学生思考和解决更复杂的电路问题来拓展他们的学习。


表1 串联电路与并联电路的对比

串联电路

并联电路

在串联电路中,电压被所有的LED分担和共享。每个LED分担的电压均低于该电路的电源电压。

并联电路中所有支路的电压均相等。每一条支路的电压都等于该电路的电源电压。




项目结尾和原理总结

现在学生已经具备了必要的知识来设计一个真实并有实际使用价值的电子器件。


学生可以用他们关于LED的知识和电学知识来设计一个用于测量电位差(电压)的电压表。该活动需要各种颜色的LED(大多数制造商生产的彩色LED都能预示它们相应的额定电压)。提供2伏的电压能够点亮1个2V的LED(比如,红色),而提供3伏的电压能够点亮1个3V的LED(比如,蓝色)。学生已经了解到,至少需要提供4V的电压才能使2个串联的2V的LED工作。按照该模式,如果提供5伏的电压,串联的1个2V的LED和1个3V的LED就能同时工作。如果将以上2个电路正确地并联在一起,就可以施加不同的电压,相应的电压就能够点亮相应的多个LED。


利用一组额定电压为2V和3V的LED,学生可以设计一个测量下限为2V,分度值为1V的电压表。难点在于同时使用串联电路和并联电路将这些LED接入同一个复合电路。正确完成该电压表后,用电源将其接入电路,将能够指示电压的大小。通过改变电池数量或使用一个可变低电压电源,如那些电子爱好者使用的电源,可以很容易地改变电压。


安全提示:尽管一般认为在课堂上使用1.5V的干电池并不特别危险,但许多电池连接在一起还是可能会构成一定的威胁。我在课堂中使用了能使多节电池有序连接的塑料电池盒,以减少混淆极性或无意中造成短路的可能性。)



教学总结和注意事项

本项目应该包括一个“建模阶段”,即头脑风暴和规划设计的时间。学生可以徒手绘制,也可以使用类似“Google绘图”(Google APP之一)这样的软件来绘制电路原理图(图4)。在分析学生所设计电路的运行状况时应附上这些设计图。学生会了解到,精心的设计和运用他们的前概念有利于构建和测试他们的作品。电压表的布线并不容易,设计图对他们有一定的指导作用,可以确保每一根导线和每一个LED以正确的位置和方向排布。建议学生在制作电压表的起始阶段就经常测试他们电压表的电路,确保每一条支路在接入复合电路之前都能正常工作,这将有助于减少后期的挫折感。


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图4 学生用包含符号和标注的电路原理图来做电压表的设计图


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图5 一名学生设计的并联电路LED电压表与市售模拟式电压表的比较


为了成功完成该电压表,学生需要在他们的电路中使用一种新元件:电阻。LED会在高电压造成的高水平阈值电流下“烧毁”。这种情况通常在电压为LED额定电压的2倍时发生。一个2V的LED会在4V或4V以上的电压下损坏,一个3V的LED会在约6V或6V以上的电压下损坏。如果学生要设计一个适用于4–6V或更高电压的电压表,将需要一些低值电阻,并将其接入电路的每一条支路来防止LED在高电流下损坏。相匹配的电阻通常附在散装的LED包装盒中,或可以单独购买。


最后,学生应该能够制作一个复合电路,当施加不同的电压时能够通过发光LED的数量和类型指示电压的大小(图5)。学生可以用万用表收集实验数据来测试该电压表的准确性。学生可能会发现,尽管他们的电压表是经过精心设计的,但并不是非常精确。


例如,当提供2.85V的电压时,3V的LED可能会发光。这种误差使学生有另外的机会来思考这些数据,并使学生对他们工程设计的各种性能和优缺点的相关解释有了深入的认识。对本项目的评分标准包括工程过程的各个要素,以及他们最终作品的表现和外观。


LED对研究电路的特性来说是一个非常有趣和吸引人的工具。它们这种可量化的性质使学生能够探究电路的模式和性质,并设计一个真正的电子工具。作为对以上课程的拓展,我的学生将他们的电压表与一些小型光伏板和台式风力涡轮机一起接入电路,来测量这些器件在各种不同的条件下产生的电压。LED的新颖性使学生在课程的开始阶段积极参与其中,并在课程的完成阶段,成功地运行了他们自己的电压表。