Добровольський Григорій

Науковий керівник – Сірик Е.П.

Кіровоградський державний педагогічний університет імені Володимира Винниченка

 

Анотація. В даній статті розглянуто два сучасних джерела світла лампа ВСБ-2 та напівпровідниковий світлодіод і їхвикористання для навчальних цілей при вивченні фізики. А також наведений приклад застосування лампи ВСБ-2 на практиці, в лабораторній роботі по знаходженні постійної дифракційної гратки.

Ключові слова: джерела світла, лампа ВСБ-2, світлодіод.

 

Актуальність проблеми. Для підвищення якості вивчення питань з оптики у середніх та вищих навчальних закладах необхідним є створення нових джерел випромінювання, які відповідають останнім досягненням науки і техніки, прості у виготовленні та експлуатуванні, забезпечують отримання високоякісних реальних результатів. Прикладом таких джерел є лампи ВСБ-2 та світлодіоди.

Аналіз попередніх досліджень. Аналіз методичних розробок, навчального експерименту та різних засобів проведення фізичного експерименту з використанням джерел світла проводили такі педагоги та методисти, як О.І.Ляшенко, Л.І.Рєзніков, С.І.Фролов та інші.

О.І.Ляшенко стверджував, що людина відіграє роль не стороннього спостерігача, а невід’ємного стрижневого елементу навколишнього світу [2, c.117].

За останні роки в методиці навчання фізики значну увагу стали приділяти вивченню експериментальних методів і особливо вивченню спектрального методу. Л.І.Резніковим пропонується методика ознайомлення учнів з введенням поняття про спектр в оптиці, попереднє формування якого відбувається на основі експериментального факту розкладання звичайного світла під час його проходження через призму. При цьому пропонується як спектральний пристрій використати призму і дифракційну ґратку, а згодом виявити особливості дифракційного спектру, виходячи із аналізу процесу випромінювання світла атомами.[3, c.56]. Тут же дається роз’яснення причини виникнення лінійчастих спектрів, розкриваються фізичні основи спектрального аналізу.

Мета дослідження: проаналізувати сучасні джерела світла та на конкретному прикладі показати застосування їх у процесі вивчення фізики.

Виклад основного матеріалу. Спектральні лампи ВСБ-2 промисловістю виготовляються у вигляді кварцевого балона діаметром біля 21 мм, в якому міститься незначна кількість досліджуваної речовини та інертний газ - криптон при тискові біля 200 Па. Згідно технічних умов 0,337.005 ТУ освоєно випуск ламп ВСБ-2 з 32 різними наповнювачами. На відміну від спектральних трубок лампи ВСБ-2 дають дуже вузькі і досить інтенсивні спектральні лінії випромінювання атомів. Крім того, терміни експлуатування їх в десятки разів перевищують терміни роботи спектральних трубок.

Світлодіод – це напівпровідниковий діод з р-n переходом. Свічення такого джерела виникає при струмі в пропускному напрямку. Електрони з n-ділянки інжектують в р-ділянку, де вони рекомбінують здірками. При цьому випромінюється квант світла hν, якийдорівнює ширині забороненої зони Е₃. Фосфористий галій GaP дає при цьому зелене, жовте або червоне світло; миш’яковистий галій GaAs випромінює в інфрачервоній ділянці спектра.

Яскравість світлодіода невелика (~10² кд/м²), але вона більша яскравості електролюмінесцентних шарів. Світлодіоди дають не монохроматичне світло, але смуга їхнього випромінювання доволі вузька і досягає  нм. Свічення легко модулюється зміноюнапруги живлення (з часовою постійною біля с).  Світлодіоди дуже економічні, мають малі розміри.

Одним з недоліків світлодіода є власне поглинання того світла, котре він сам випромінює. Цей недолік невластивий найбільш перспективним на даний час світлодіодам, котрі працюють на гетеропереходах, У них р-nперехід здійснюється між двома напівпровідниками, однак ці матеріали відрізняються не лише типом основних носіїв електричного заряду, а й шириною забороненої зони Е₃. Фотони, які утворюються у вузькозонній ділянці (базі), вільно виходять через широкозонну ділянку (емітер), оскільки hν менше Е₃ емітера.

Таким чином, у напівпровідниках при подачі зовнішнього електричного поля у напрямку пропускання струму випромінюється світлова енергія, інтенсивність якої пропорційна струму пропускання.

Використання світлодіодів для навчальних цілей обумовлено низкою параметрів та специфічних характеристик, які є особливо важливими і значущими саме для процесу навчання, а відтак за умов застосування їх у навчально-виховному процесі дають підставу вважати ці джерела світла ефективними у вирішенні різних дидактичних цілей, а також вдосконалення системи навчального фізичного експерименту та засобів її реалізації. До таких особливих параметрів світлодіодів слід віднести такі.

1. Напівпровідникові світлодіоди випромінюють достатньо яскравий пучок світла для можливостей виконання різних видів навчального фізичного.
2. Працюючи на напівпровідниковій основі, світлодіоди живляться від електричних джерел постійного струму напругою 1÷4 В, що дає можливість рекомендувати їх відповідно для виконання учнями самостійних експериментальних досліджень і (фронтальних дослідів і спостережень, фізичного практикуму, дослідів у домашніх умовах).
3. Світлодіоди характеризуються досить великим терміном експлуатування, мають дуже малі габарити і можуть досить легко транспортуватися і зберігатися у фізичному кабінеті та в лабораторіях.
4. Світлодіоди дають не монохроматичне випромінювання, але за умов виконання експериментальних досліджень для навчальних цілей, враховуючи вузьку смугу , у якій випромінюється світлова енергія, з достатніми і достовірними результатами можна одержувати кількісні співвідношення, залежності, значення фізичних величин, а також можна визначати низку фізичних параметрів та констант.
5. Світлодіоди як джерела світла є дуже економічними і тому можуть широко застосовуватися в тих установках, де потрібна відповідно висока світлова віддача за умов малої напруги електричного живлення.

Розглянемо приклад виконання лабораторної роботи з використанням сучасних джерел світла в 11 класі: «Визначення постійної дифракційної ґратки». До обладнання роботи входять : генератор ДЕВ-3Н, демонстраційна лінійка, дифракційна ґратка, лампа ВСБ-2 з наповнювачем (натрій).

Установку для виконання роботи збирають на демонстраційному столі згідно схеми (див. рис. 1). В центрі стола розташовують джерело випромінювання ДЕВ-3Н. Зліва і справа від нього за допомогою штативів розташовують два демонстраційні метри. Під час виконання роботи учням пропонується спостерігати за допомогою дифракційної ґратки спектр даного хімічного елемента, зокрема натрію, і записати зміщення l спектральної лінії за демонстраційною лінійкою.

 

Рис.1. Схема установки:1- джерело з лампою ВСБ-2; 2-робоче місце учнів; L-відстань від джерела ДЕВ-3Н до робочого місця; l-відстань від нульового максимуму до спостережуваної спектральної лінії, яка визначається за демонстраційною лінійкою АВ.

Відстань Lвід джерела ДЕВ-3Н до кожного робочого місця учня завчасно вимірює вчитель і дає готовий результат або учні вимірюють її за допомогою рулетки. Учні в зошиті виконують малюнок і результат записують у таблицю. Виходячи із схеми установки та формули для дифракційної ґратки, учні одержують вираз для визначення постійної .

Практичний приклад: виконання роботи за допомогою шкільної дифракційної ґратки 100 лін/мм дає такі результати:

для натрія: l= 47 см, L = 8 м, = 5,87 10^-7 м.

Формула: .

Відповідь: d= 1/100 мм, що визначено з похибкою =5,2%.

Голографічна дифракційна ґратка.

Для натрію:  = 5,8610'⁷м;  = 5,8910^-7м, l =1,9 м, L= 3 м.

Формула: .

Відповідь: d = 1/1000 мм;  =2,8%.

Висновок: в результаті виконання лабораторної роботи були отримані значення постійних для шкільної та голографічної дифракційних ґраток з відносними похибками=5,2% та=2,8%.

Список літератури

1. Глазунов А.Т. Техника в курсе физики средней школы. – М.: Просвещение, 1977. – 159с.
2. Ляшенко О.І. Формування фізичного знання в учнів середньої школи. – К.: Генеза, 1996. – 304с.
3. Резников Л.И. Физическая оптика в средней школе: Пособие для учитилей. – М.: Просвещение, 1971. – 263 с.
4. Величко С.П., Сірик Е.П. Нове навчальне обладнання для спектральних досліджень. Посібник для студ. фіз.-мат. фак-тів пед. вищих навч. закладів. – 2-е вид., перероб. – Кіровоград: ТОВ “Імекс-ЛТД”, 2006. -202с. 
5. Фролов С.И. Изучение основ экспериментальных методов исследования в курсе физики средней школы: Автореф. дисс. … канд. пед. наук: 13.00.02. К., 1977. – 24 с.