Целью данной работы является исследование методологии лабораторных работ и эффективных практических методов освоения отдельных тем на примере разработки изучение педагогических аспектов профессионального изложения информации для студентов на примере создания лабораторной работы с помощью электронного конструктора. Методы исследования: теоретический и экспериментальный.
Задачи:
1. Изучение электронного конструктора «Знаток» и внедрение его в лабораторную работу;
2. Создание лабораторной работы по курсу физики и современного естествознания на тему «Вольт-амперные характеристики светодиодов» с помощью конструктора «Знаток».
Рассмотрение данной темы в работе является актуальной для студентов первых и вторых курсов, так как изучению светодиодной техники по программе бакалавриата специальности «Инноватика» уделяют мало внимания. Студент, освоивший данную тему, с легкостью сможет разобраться с инновациями, в которые внедрены и используются светодиоды.
Светодиод (рис. 1) или светоизлучающий диод (СД, СИД; англ. light-emitting diode, LED) – полупроводниковый прибор с электронно-дырочным переходом, создающий оптическое излучение при пропускании через него электрического тока в прямом направлении.
Рис. 1. Светоизлучающий диод
Лабораторная работа «Вольт-амперные характеристики светодиодов»
Цель: Изучить ВАХ (вольт-амперные характеристики) светодиодов, построить вольт-амперные характеристики по измеренным значениям I и U, рассчитать сопротивление гасящего резистора, сделать вывод.
Использованные инструменты: мультиметр, гальванический элемент, светодиоды двух типов (красный и зеленый), реостат.
Задание 1
Ответить на следующие вопросы:
1. Светодиод – полупроводниковый прибор с электронно-дырочным переходом, создающий оптическое излучение при пропускании через него электрического тока в прямом направлении.
2. Принцип работы: при пропускании электрического тока через p-n переход в прямом направлении, носители заряда – электроны и дырки – рекомбинируют с излучением фотонов (из-за перехода электронов с одного энергетического уровня на другой).
Задание 2
Эксперимент 1. Свечение зеленого светодиода
1. Соберите электрическую цепь, по схеме, приведенной на рис. 1.
Рис. 1. Основная схема включения светодиода
2. В реостате выставить максимальное значения сопротивления (50 кОм). С помощью мультиметра измерить напряжение, сопротивление и силу тока.
Занесите измеренные значения в табл. 1.
3. Изменяя сопротивление реостата (40; 30; 20; 15; 10; 5 кОм), измерьте силу тока и напряжение. Запишите полученные значения I1 и U1в табл. 1.
Задание 3
Эксперимент 2. Свечение красного светодиода
Повторите проделанные расчеты, заменив светодиод на красный. Запишите полученные значения I2 и U2 в табл. 2.
Задание 4
По заданным значениям постройте на одном графике зависимости силы прямого тока от напряжения для двух видов светодиодов (рис. 2).
Задание 5
Сравнить график теоретический зависимости силы прямого тока от напряжения для двух видов светодиодов с полученным практическим (рис. 3). Сделать вывод.
Таблица 1
Результаты измерений
|
R, кОм |
50 |
40 |
30 |
20 |
15 |
10 |
5 |
|
I1, мА |
2,2 |
2,8 |
4,3 |
8,5 |
9,1 |
23,5 |
26,8 |
|
U1, В |
1,29 |
1,32 |
1,52 |
1,8 |
1,9 |
2,4 |
2,47 |
|
I2, мА |
2,62 |
1,88 |
4,3 |
6,4 |
8,3 |
13,4 |
27 |
|
U2, В |
1,2 |
1,3 |
1,4 |
1,42 |
1,44 |
1,55 |
1,57 |
Таблица 2
Результаты измерений
|
R, кОм |
50 |
40 |
30 |
20 |
15 |
10 |
5 |
|
I1, мА |
1,2 |
3 |
4,3 |
5 |
7 |
19 |
25 |
|
U1, В |
1,35 |
1,4 |
1,45 |
1,5 |
1,55 |
1,7 |
1,72 |
|
I2, мА |
2 |
1,88 |
4,2 |
5 |
6,3 |
9,4 |
24 |
|
U2, В |
1,2 |
1,27 |
1,3 |
1,36 |
1,38 |
1,4 |
1,42 |
Рис. 2. Зависимости силы прямого тока от напряжения для двух видов светодиодов
Рис. 3. Вольт-амперные характеристики светодиодов
Вывод. Построив график вольт-амперной характеристики для двух видов светодиодов, можно сделать вывод, чем больше напряжение, тем больше сила прямого тока. Зависимость прямая.
Задание 6
Зная характеристики светодиода и напряжение источника тока, рассчитайте, какое сопротивление должен иметь гасящий резистор. Включите гасящий резистор в цепь и наглядно проверьте.
Исходя из ВАХ (Рисунок 3) видно, что для разных светодиодов при токе 20 мА мы имеем разное падение напряжения: 1,4 В для красного светодиода, 1,52 В для зеленого. Для батарейки 3 В на гасящем резисторе должно в первом случае «упасть» 1,6 В, что при 20 мА произойдет при значении сопротивления резистора в 1,6 В / 20 мА=80 Ом. Во втором случае имеем, соответственно, 1,48 В / 20 мА=74 Ом.
Записать общий вывод исходя из цели работы и полученных результатов.
Вывод. В ходе проделанной работы были изучены ВАХ (вольт-амперные характеристики) светодиодов, построены графики вольт-амперных характеристик по измеренным значениям I и U, рассчитано сопротивление гасящего резистора.
Заключение
В статье была разработана и проделана лабораторная работа с помощью электронного конструктора «Знаток». Также изучены педагогические аспекты профессионального изложения информации для студентов и освоена методология лабораторных работ по курсу физики и современного естествознания на тему «Вольт-амперные характеристики светодиодов».