生活光源在高中物理的知识体现

生活光源在高中物理的知识体现

姚树芳 张国庆 陈菲菲

黑龙江省甘南县第二中学 162100

摘要：光学是高中物理中的重要组成部分，在生活中，很多的现象都与光学有着千丝万缕的关系，如照明灯的出现极大的改变了人类生活的方式，提高了人类的生活质量，使人们走上了光明的文明社会，笔者就生活光源的发展火--白炽灯泡--荧光灯--LED结合高中物理知识进行简单的介绍。

关键词：光源、电磁波、白炽灯、热辐射、能级、荧光灯、LED.

1. 光的第一次化身：火

发展史：

原始人把松脂或脂肪类的东西涂在树枝上，绑在一起，做成了照明用的火把，成为了人类创造历史上真正的意义上的第一盏“灯”， 到了18世纪，改进用石蜡制作蜡烛，然后人们发明了煤气灯，随后出现了油灯，直至出现白炽灯。

原理：

燃料燃烧化学键断裂，吸收能量;化学键生成，放出能量。燃烧反应后者高于前者，因此这类反应将不断产生能量，多余的能量会被电子吸收，由低能级轨道跃迁至高能级轨道。高能级轨道的电子极不稳定，容易跃迁回低能级轨道，并以光子的形式放出能量，而这些光子能量足够高，以至于其频率在我们人眼能看见的可见光的频率范围内(当然也有不在该范围内的)，这就是我们看见的火光。

物理知识：

1、能级

能级是由玻尔的理论发展而来的现代量子物理学的概念。原子核外电子的可能状态是不连续的，因此各状态对应能量也是不连续的，这些能量值就是能级。能级是用来表达在一定能层上（K、L、M、N、O、P、Q）而又具有一定形状的电子云的电子。

2、可见光

上图为电磁波谱，当电磁波的波长在390～760nm范围内时，为肉眼可见的光。

，由该式可得电磁波的频率与波长成反比，电磁辐射的频率也决定光的颜色。

2. 白炽灯发光原理：

发展史：

自从18世纪末的美国科学家富兰克林提出有关电现象的理论之后,人们就开始了用电照明的探索，白炽灯由玻璃壳、灯丝、灯头三部分组成，1879年,爱迪生也开始投入对电灯的研究，1879年10月21日同,他采用碳化棉线作灯丝,把它放入玻璃球内,抽成真空.结果,碳化棉灯丝发光明亮且稳定,足足亮了10多个小时.就这样,碳化棉丝白炽灯诞生了,爱迪生为此获得了专利。1880年,爱迪生又研制出碳化竹丝灯,使灯丝寿命大大提高。现代的钨丝白炽灯是1908年美国发明家库利奇试制成功的。

原理：

利用固体被加热到白炽温度(1500℃)而发光的光源， 电流通过灯丝（钨丝，熔点达3000多摄氏度）时产生热量，螺旋状的灯丝不断将热量聚集，使得灯丝的温度达2000摄氏度以上，灯丝在处于白炽状态时，就象烧红了的铁能发光一样而发出光来。灯丝的温度越高，发出的光就越亮。白炽灯泡把大约6％的电能 转变成光，本质上是一种热辐射。下面对热辐射及其规律做一些简单的介绍。

物理知识：

热 辐射：

物体因自身的温度而向外发射能量。在绝对温度0°K以上的物体不论周围的情况如何,均可以电磁辐射的形式向周围散热。通过热辐射传递的热量称为辐射热。温度越高,热辐射越强。热辐射的波长分布情况也随温度而异。当所辐射电磁波的频率处于可见光波段时，就是我们通常所见的热辐射发光现象。

上图是不同温度热辐射能量按波长的分布图，由此图可以看出：温度升高，曲线主峰向高频段移动，即热辐射能量向高频段集中。

白炽灯的光之所以呈白色就是因为它辐射的辐射频率覆盖了可见光所有的频段。

三、荧光灯发光原理：

发展史：

第二代光源是1938年美国通用电气公司的伊曼发明的气体放电荧光灯，其重要意义是突破了钨丝白炽灯的固体热辐射发光机理所限制的低光效，进入了气体放电灯照明时代。

原理：

在电场作用下,气体介质被激发电离或击穿所产生的电晕、电弧、火花、辉光放电等现象。通常情况,气体分子呈中性,气体不导电,是绝缘体。使气体分子电离,变成正负离子是使气体具有导电性的首要条件。荧光管内充满了低压氩气或氩氖混合气体及水银蒸气，玻璃荧光管的内侧表面涂上一层磷质荧光漆，灯管的两端的灯丝线圈，通电使其释放出电子，电子会把管内气体变成等离子，并令管内电流加大，当两组灯丝间的电压超过一定值之后灯管开始产生放电, 使水银蒸气发放出253.7nm 及185nm波长的紫外线，荧光管内侧表面的磷质荧光漆会吸收紫外线，并释放出较长波长的可见光。

物理知识：

气体放电

又称“气体导电”。气体中通过电流的现象。通常情况下的气体是良好的绝缘体。但受加热或紫外线、X射线和微量放射性物质的照射,气体分子可发生电离,产生较多的自由电子和正离子。原子外层电子获得能量从基态到了激发态，激发态的原子不稳定从新回到基态并把多余能量转化成光子放射出来。

3. LED的发光原理：

发展史：

1993 灯中村修二在日本

日亚化学工业株式会社就职期间，基于GaN开发了高亮度蓝色发光二极管，1999 白色LED灯发现，2000 LED应用于室内照明。

原理：

LED 是一种能够将电能直接转化为光的半导体器件叫做发光二极管，内部是半导体晶片，半导体晶片由两部分组成，一端是P型半导体另一端是 N型半导体 ，两种半导体连接起来的时候，它们之间就形成一个P-N结。当电流通过导线作用于这个晶片的时候，电子就会被推向P区，电子在P区里跟空穴复合，然后就会以光子的形式发出能量当这些电磁波的频率在可见光波段时，就看到了可见光，这就是 LED灯 发光的原理

物理知识：

光子：

光子（photon）又叫光量子，是传递电磁相互作用的基本粒子，是一种规范玻色子，在1905年由爱因斯坦提出，1926年由美国物理化学家吉尔伯特·路易斯正式命名。光子是电磁辐射的载体，而在量子场论中光子被认为是电磁相互作用的媒介子。光子静止质量为零。光子以光速运动，并具有能量、动量、质量。

半导体

导电性能介于导体(conductor)与绝缘体(insulator)之间的材料，叫做半导体（semiconductor）。半导体材料很多，按化学成分可分为元素半导体和化合物半导体两大类。锗和硅是最常用的元素半导体；化合物半导体包括Ⅲ-Ⅴ 族化合物（砷化镓、磷化镓等）、Ⅱ-Ⅵ族化合物( 硫化镉、硫化锌等)、氧化物(锰、铬、铁、铜的氧化物),以及由Ⅲ-Ⅴ族化合物和Ⅱ-Ⅵ族化合物组成的固溶体（镓铝砷、镓砷磷等）。

P型、N型半导体与PN结：

N型半导体就是在纯净的硅晶体中掺入少量杂质磷元素（或锑元素），由于半导体原子（如硅原子）被杂质原子取代，磷原子外层的五个外层电子的其中四个与周围的半导体原子形成共价键，多出的一个电子几乎不受束缚，较为容易地成为自由电子。于是，N型半导体中就有了受约束较弱的电子，其导电性主要由这些电子提供。

P型半导体就是在纯净的硅晶体中掺入少量杂质硼元素（或铟元素），由于是只有三个外层电子的硼原子替代有四个外层电子的硅原子，所以会产生电子空位，即“空穴”，这个空穴可能吸引束缚电子来“填充”，使得硼原子成为带负电的离子。这样，这类半导体由于含有较高浓度的“空穴”（“相当于”正电荷），成为能够导电的物质。

将P型和N型半导体坐在同一块半导体晶体上，在两种半导体接触的区域就形成了PN结。如上图所示。上面叙述的两种半导体在外加电场的情况下，会作定向运动。当电子遇到空穴，会发生复合。从能带的观点看就是电子从高能级跳到低等级，并释放出电磁能量。

参考文献：1、《中华少年》例析生活的光现象 2017年11期

2、《中国照明电器》白炽灯 1950年50期

3、搜狗百科