1.1中科院微型实验室“科探方舟”

“科探方舟”(课题研究项目)，是徐州一中与中科院合作，中科院京区科协牵头设计的品牌科学产品。“科探方舟”以探究性科学实验装置为支柱，在专业探究课程专家的指导下完成“小课题研究”，帮助同学们涵养科学精神、提高科学素养。

“科探方舟"是一个探究性的教学集成包，相当于一个微型的实验室，其中包含了生命科学、资源环境等十个不同方向的课题,分别涉及水质差异与硬水软化、射电天文望远镜工程、桥梁承载能力、住宅日照间距、种子催芽剂、风力发电等,都是基于当下、基于生活和生产实践、基于同学们所见所闻所思所想，是真问题，课题具有前瞻性和鲜明的目的性和计划性。

主要目的在于培养学生的创新思维、合作精神、沟通能力，以此提高科学素养。高中是培养学生创新思维的黄金时期，而小课题研究又是一项缜密的科学实验活动，应该让同学们从高中开始，就养成像科学家一样思维的习惯。通过自主学习、动手实验、成果汇报和答辩的形式，达到开阔视野、启迪灵感、增强创新意识和动手实践能力，提高综合科学素养，为将来成为未来社会急需的创新型人才打下基础。

1.2课题简介

LED的光色复配及发光性能是LED照明技术中的核心问题之一。LED的发光原理是利用PN结中载流子复合产生过剩能量并转化为光能。通过调整LED芯片材料、掺杂浓度、荧光粉种类及其配比，可以实现不同颜色和光效的LED光源。然而，LED的光色一致性和发光性能受到多种因素的影响，包括芯片材料、封装工艺、环境温度等，这些因素直接关系到LED照明产品的品质和应用效果。

本研究的目的是在探究LED灯产生白色光色光源的机制及发光的性能，了解LED灯与其他电学器件间的差异、LED灯的节能潜力，并掌握LED灯补光对植物生长的影响作用特征。上述研究有利于丰富物理中光学的知识，提升个人科学素养，并对LED照明巨大前景和广阔的应用领域充满了信心。

2. 课题报告

LED灯的光色复配及发光性能探究

学生姓名：卜墨凡、李禹成、王腾岳、徐伯光

指导教师： 张灵宫

【摘要】探究了LED灯产生白色光色光源的机制及发光的性能，讨论了LED灯补光对植物生长的影响。以红、绿、蓝三色LED灯及三色荧光粉组合形成不同光色，实验对比白炽灯与各色LED灯的功率，光效，光通量等发光性能，讨论了LED灯的节能潜力，并用控制变量法探究了不同色光LED灯对绿豆芽生长的影响。结果表明：1）红、绿、蓝三色组合的任意LED灯和荧光粉均能产生白光，其中红、绿、蓝三色组合的LED灯效果最好。2）LED灯与其他电学器件不同，在电压方向不同时伏安特性曲线也不同，而且变化是非线性的。3）一般情况下，相同规格的LED灯和白炽灯，在相同条件下LED灯光亮度更高，而且功率更大。也就是说，LED灯对比白炽灯节能潜力更大。4）对于绿豆芽生长，红色LED灯效果最好，绿色效果最差。上述研究结果发现LED灯相比白炽灯具有更加优良的发光性能和更加巨大的节能潜力，在未来LED灯照明的研究会越来越重要。

【关键词】LED灯；光色复配；发光性能；节能潜力；植物生长

一、研究背景

随着全球能源短缺和环境问题的日益严峻，照明领域的技术革新显得尤为重要。LED（Light Emitting Diode）作为一种新型的固体光源，以其高效节能、长寿命、安全稳定、智能可控等特点，逐渐成为照明技术革新的重要方向。LED灯不仅显著提升了照明效率，还有效降低了能耗，对于实现碳达峰、碳中和的全球目标具有重要意义。近年来，随着LED技术的快速发展和成本的不断降低，其市场占有率迅速上升，LED照明产品已广泛应用于室内外不同场所、不同领域，如智慧照明、农业照明、健康医疗照明、可见光通信等。

LED的光色复配及发光性能是LED照明技术中的核心问题之一。LED的发光原理是利用PN结中载流子复合产生过剩能量并转化为光能。通过调整LED芯片材料、掺杂浓度、荧光粉种类及其配比，可以实现不同颜色和光效的LED光源。然而，LED的光色一致性和发光性能受到多种因素的影响，包括芯片材料、封装工艺、环境温度等，这些因素直接关系到LED照明产品的品质和应用效果。

本研究的目的是在探究LED灯产生白色光色光源的机制及发光的性能，了解LED灯与其他电学器件间的差异、LED灯的节能潜力，并掌握LED灯补光对植物生长的影响作用特征。上述研究有利于丰富物理中光学的知识，提升个人科学素养，并对LED照明巨大前景和广阔的应用领域充满了信心。

二、实验材料

本文主要进行4项实验，实验一探究LED灯产生白色光源的机制，实验二探究LED灯与其他电学器件间的差异，实验三探究LED灯的节能潜力，实验四主要探究LED灯补光对植物生长的影响。实验相关材料如表1所示。

表1 实验主要材料列表

序号	实验材料名称	数量	单位
1	导线	10	个（ge）
2	卡纸	1	个（ge）
3	剪刀	1	个（ge）
4	透明宽胶带	1	个（ge）
5	小镊子长7.7cm	1	个（ge）
6	电池盒	3	个（ge）
7	电池	6	个（ge）
8	滑动变阻器	1	个（ge）
9	荧光粉(黄色)	1	克（g）
10	荧光粉(红色)	1	克（g）
11	荧光粉(绿色)	1	克（g）
12	反光杯	1	个（ge）
13	RGB三色LED灯	1	个（ge）
14	金属膜电阻	3	个（ge）
15	迷你面包板	1	个（ge）
16	1w绿光LED带铝基板带线	1	个（ge）
17	1w红光LED带铝基板带线	1	个（ge）
18	1w蓝光LED带铝基板带线	1	个（ge）
19	5w白光LED	1	个（ge）
20	两脚卤素灯	1	个（ge）
21	电压表	1	个（ge）
22	电流表	1	个（ge）
23	鳄鱼夹导线	2	个（ge）
24	光照度计	1	个（ge）
25	游标卡尺	1	个（ge）

三、研究过程

1. 实验一：探究LED灯产生白色光源的机制

1.1连接并改进电路

在相同亮度的各种光中，蓝光的波长相对较短，能量高于绿光和红光。所以单位时间每一条支路消耗相同的电能，发出的红光最亮，绿光次之，蓝光最暗，由此在混合不同颜色的光时，红光总是占据主导地位。重干扰了实验的进行，为此我们重新设计了电路，尽量增加红色LED支路上的电阻从而降低红色LED的亮度。采用电路如图1所示。

图1 实验设计电路图

1.2 混合不同的等亮度的色光和荧光粉

图2 混合不同的等亮度的色光和荧光粉

2. 实验二：探究LED灯与其他电学器件间的差异

2.1 连接电路并分析

经过分析，采用分压式电路测量范围更广（如图3所示）。

图3分压式电路设计图

2.2 将不同发光元器件进行正反接

分别正反接红绿蓝LED灯和卤素灯，观察是否发光并记录相关电学数据。

2.3 移动滑动变阻器以改变发光元器件两端的电压

3. 实验三：探究LED灯的节能潜力

3.1 连接电路

通过讨论，使用限流式电路比使用限压式电路更加节省能源（如图4所示），避免浪费。

图4 限流式电路设计图

3.2 测定光照度

根据实验方法，先区别了不同的物理量之间的关系：

1. 光通量（Lm）=光照度（Lux）×受照面积（m²）

2. 光通量（Lm）=光效（Lm/W）×功率（W）

3. 功率（W）=电压（U）×电流（I）

4. 面积计算公式如下：A=πr2

采用游标卡尺测量光照度计的受照面积，测量过程如图5所示。通过测量数据采用上述公式进行光照度的计算。

                       

图5 光照度及受照面积的测量过程

4. 实验四：探究LED灯补光对植物生长的影响

4.1 放置植物

将所有植物放在阳台上，间隔0.5米。

4.2 布线

用4.5伏电源串联LED灯，放在对应植物上方0.1米处，持续照射。

4.3 等待并定期观察

每隔24小时观察生长变化，并更换电源保证电压恒定，记录数据。不同光照条件下豆芽的生长状况如图6所示。

绿光 红光

蓝光   紫光

黄光 靛光

对照组

图6 不同光照条件下豆芽的生长状况

四、结果与分析

1. 探究LED灯产生白色光源的实验结果与分析

LED灯产生白色光源的实验结果如图7所示。

图7 不同LED灯组合方式

通过图7可知：不同LED灯组合方式中，能产生白色光的是红绿蓝光，LED灯组合产生的光，中间和边缘的光色分布不均匀；不同LED灯和荧光粉的组合中，能发出白色光的是蓝光和黄色荧光粉，不同LED灯和荧光粉组合产生的光，中间和边缘的光色分布均匀。因此，为了保证照明的均匀，LED照明一般使用蓝色led与黄色荧光粉，这正好符合现实中led照明的发展。

2. LED灯与其他电学器件间的差异实验结果与分析

LED灯与其他电学器件间的差异实验结果如图8-10所示。

图8 LED器件伏安曲线正接测定实验表

图9卤素灯伏安曲线测定实验记录表

图10定值电阻伏安曲线测定实验记录表

分析上述实验结果表明，LED灯反接时不发光，在超过击穿电压后会有极其微小的电流。LED灯在正接时超过阈值电压后，发光电流指数级增长。卤素灯正分接均发光，电压与电流成非线性变化，定值电阻正反接均有电流，电流与电压成正比。

3. LED灯的节能潜力实验结果与分析

LED灯的节能潜力实验结果如图11所示。

图11 不同条件下LED灯各色灯光光效

通过分析可知，在各灯泡中，光效从大到小排序为：蓝色>白色>绿色>红色，其中蓝色光效为573.8，约为绿光LED的1.5倍约为红光LED的2.5倍。所以最适合制作为白色LED的是蓝色LED，而这与实际相符。白色LED和蓝色LED相比，功率相同，蓝色LED的光效大于白色LED，大概是因为蓝光照射到黄色荧光粉上时，会损失一部分光能。此外，随着电流的增加，不同发光器件的光效都在减小，可能是因为由于电流变大，转换成的热能更多。

4. 探究LED灯补光对植物生长的影响实验结果与分析

探究LED灯补光对植物生长的影响实验结果如图12所示。

图12 不同颜色的光对绿豆幼苗生长的影响

实验结果表明，在用不同颜色LED光照射绿豆幼苗15天后，红光照射对于绿豆幼苗生长的促进作用最明显，而相对地，作为红色的补色，绿色的LED光无法帮助绿豆幼苗合成淀粉（这一点由碘液不变色看出）。此结论对LED辅助农业的前景有所启发，即在一些农作物的种植大棚中，可以适当地补充红光来提升农作物产量。

在查找资料后，我们又发现一个现象，那就是所有的“喜爱”红光而“讨厌”绿光的植物，都是绿色或绿色系的。我们进行了讨论，得出原因是：这些植物无法吸收绿光进行光合作用，便将绿光反射回来进入我们的眼睛，我们就看到了它们是绿色的。

五、结论

1. 根据实验目的，选取各色LED灯及其他灯光，设置了4组不同的实验。

2. 为了保证照明的均匀，LED照明一般使用蓝色LED与黄色荧光粉。了解光的三原色及蓝色激发黄色荧光粉而发出白光，以及两种发光方式的优劣。

3. LED灯反接时不发光，正接时超过阈值电压后发光电流指数级增长；卤素灯正分接均发光，电压与电流成非线性变化；定值电阻正反接均有电流，电流与电压成正比。

4. 在各灯泡中，光效从大到小排序为：蓝色>白色>绿色>红色，且随着电流的增加，不同发光器件的光效都在减小。通过对比发现LED较卤素灯更加节能。

5. 在用不同颜色LED光照射绿豆幼苗15天后，红光照射对于绿豆幼苗生长的促进作用最明显。了解某种特定光线对植物生长有积极作用，为促进粮食增产和太空育种提供理论知识。

如今已经步入一个“万物皆可现实”的年代，随着5G、物联网等新兴产业的腾飞，LED的用途将会更加丰富、市场规模将进一步扩大。经过我们的探究，LED未来的发展方向除了节能、延长使用年限这些特点外，产品性能上会一直优化高对比度和刷新率。我们相信LED产品的应用场景将变得更广，LED行业未来的前景一片光明，值得大家的期待。

六、参考文献

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