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第 2卷第 1 期 2 0 0 7年 2月 北京教育学院学报 自然科学版 J OU R N A L OF B E UI NG I N S TI TU T E O F E D U C A T I O N N A T U R A L S C I E N C E V0 l 2 No 1 Fe b 2 0 o 7 中学物理涉及 日光灯教学的 几个实验问题 术 霭 粮 北京师大附 中 北京1 0 0 0 5 2 摘要 日光灯管的点亮过程是一种暂 态过程 通常 人们很难对此暂态过程进行定量的实验 测量 传感器和数据采集 系统的出现使实验手段 的改进成为可能 本文从传统的实验开始 引出暂态过程的测量及其相关问题的讨论 关键词 日光灯 实验 暂态过程 中图分类号 G 6 3 2 0 文献标i q B 文章编号 C N1 1 5 3 4 0 N 2 0 0 7 0 1 0 0 4 1 0 5 正常情况下 日光灯灯丝受热时所发射 出的 大量 电子 在灯管两端高 电压作用下 以极大的 速度 由低电势端向高电势端运动 并在此过程中 碰撞管内氩气分子 使之迅速 电离 氩气电离产 生热量又使管内水银蒸气被 电离 进而发出强烈 的紫外线 而管壁内的荧光粉因受到紫外线 的激 发 会发出近乎白色的可见光 因此 若要 日光灯 管发光 只要能使灯管内的电子产生加速运动 如附加较强 电场 或在 日光灯管 内加入紫外线 成分 如附加含有紫外线 的电磁波谱段 不一定 非要在灯管两端施加交流电压 日光灯在学生生活中到处可见 但点亮 日光 灯通常要靠接通电源 能否在不接 电源的情况下 使 日光灯管发光特别能引起学生的兴趣 下面介 绍几个有趣的课堂小实验 并围绕 日光灯管教学 所涉及的几个问题阐述 自己的看法 希望能进一 步扩展课堂教学的思路 打破学生固有的 灯管 亮必须接 电 的思维定势 真正实现课程标准所 倡 导 的 从生 活走 向物理 从 物理走 向社 会 的新 教 学理 念 实验 一 几个不用电源而能点亮灯管的小 为获到较好的能见度 便于学生在教室和实 验室内观察 下面列举的实验选取了长约 2 5 e m 额定功率为 8 w的发蓝光的小 日光灯管 这些有 趣的实验可以广泛的用于绪论课教学 研究性学 习 课堂演示实验或学生探究实验等方面 也可 以以小魔术的形式表演 出来 实验一 如图 l 所示 在一个光线较暗的环 境里 将吹大的气球 与头发快速摩擦数次后与 日 光灯管接触 实验 中看到 带 电的气球放电时能 将 日光灯管点亮 若将气球 的位置移动时 点亮 的位置也会发生变化 这个实验可以解释学生可 能有过的体验 例如在秋冬季节当我们脱下毛衣 的时候 在光线较暗的环境中可能放电点亮家中 的台灯灯管 实验二 如 图 2所示 手摇式感应起 电机的 金属球上的电量到达一定的值后 就会击穿空气 发生放电现象 若在此时将 日光灯管放在两球之 间 日光灯管也会被点亮 图 1 收稿 日期 2 0 0 7 0 1 1 4 书 丰作者简介 雷广粮 1 9 7 5一 男 陕西省西安市人 北师大第一附属中学 中学一级教师 41 维普资讯 北京教育学院学报 自然科学版 有趣 的是 如果用感应起 电机的两个小球与 日光灯的两根灯丝相连 如图 3所示 无论你摇 得再快 都不能将 日光灯点亮 但是如果只将一 根灯丝与一个小球相连 如图 4所示 缓慢摇动 起 电机手柄 两球之 间放电时 会发现 日光灯管 被点亮的现象 图 3 图 4 实验三 如图 5所示 将范德格拉夫起电机 启动 使 它的金属球壳带电 然后将 日光灯管放 在球 的顶部 可 以发现 F t 光灯管几乎全部被点 亮 如果改用 圆形 的 日光灯管来演示 如图 6所 示 就像是给起 电机的 头部 增添了一个耀眼的 光 环 图 5 图 6 有意 思 的是 如 果用 范德 格拉夫 起 电机来 演 示人的头发直立的现象时 用一个 日光灯管靠近 头 发时 可 以看 到头 发 会 向头 皮 紧 贴 就像 是 水 稻被 大风 刮倒 了一样 注意 演示时人体如果和 日光灯 的灯丝接 触 会有 明显的触 电感觉 如果要 让学生来参与 演示 要事先准备绝缘凳 并告知其注意事项 确 保 自身及旁观者安全 实验四 如图 7 8 9所示 将感应 圈的两个 4 2 探 针 相 距 1 5 c m 左 右 通电 使之正常工 l l 作后 将日 光 灯管以 一 l l 1 不同的方位放在探 l I 针之 间 可 以发现 日 光灯管都 可 以被点 亮 示 时鎏 示 时 要 表 现 得 轻 松 自如 但也要做到心 一 中 有 薮 才 能 收 到 良 图 8 好的课堂效果 本实 验 中采用 的电压有r 弋 几万伏 要特别注意 I 一 I 安全 操作者不能接 图9 触 日光灯灯丝 实验五 如图 1 O所示 将 日光灯以不同的方 位放人电磁波发生器的天线之间 会发现 日光灯 将被部分或全部点亮 现象非常明显 图 1 0 当 日光灯管 与天 线 靠 近 且 大 致 平 行 时 日光灯管将全部 被 点 亮 且 亮 度 最 大 考虑到电磁波辐射的危害 本实验不宜做太长时 间 二 日光灯管点亮过程引入镇 流器 启 动 器 的原 因 日光灯管内的气体在导电过程中 当阴极由 于高温发生强烈的热电子发射时 这些电子在走 向阳极的过程中又不断地发生碰撞电离 从而使 极 间气体 有 良好 的导 电性 能 出现 很大 的 电流 两极间的电压却 由于导电而大大下降 其电压电 流关系呈现出负伏安特性 如图 1 1 所示 因此 日光灯管不能像白炽灯那样一直用市 电来点亮 这样做最终必将烧坏灯管 这个点亮需高压 正 常工作需要低压 的特点迫使人们要通过 自感现 象来解决此矛盾 让灯管 内气体 由于导电导致的变 化反馈到整个 电路 中来 通 过 电路元 件 对这 个 反馈 信息及时作 出响应 实现 电路 的 自我控 制 就成 图 1 1 维普资讯 雷广粮 中学物理涉及 日光灯教学的几个实验问题 了一种 良好 的解决办法 因此启动器 的瞬间断电 机制和镇流器作到的点亮时提供瞬时高压 正常 工作起稳压作用就成 了日光灯原理的关键部分 三 日光灯 示教 板演 示及其教 学设计 如图 1 2所示 通常可以不接虚线表示 的导 线及灯泡 在演示前 打开图中的所有开关 并 取下启动器 S 然后 2 2 0V 图 1 2 1 同时闭合 k k 可以演示用 2 2 0 V交流电 并 不能 直接 点亮 日光灯 2 打开 k 闭合 k 3 k 演示 日光灯并不点亮 然后迅速打开 k 发现 日光灯管被点亮 了 3 打开 k k 闭合 k 将启动器插入插孑 L 适当转动启动器 发现 日光灯管能被点亮 由 2 3两个步骤可 以演示启动器 的作用 瞬间 自动断 电功能 4 若想要演示 日光灯点亮过程镇流器能否 产生瞬时高压 除了对 1 3实验现象进行对 比 外 也可以通过实验来说明 先打开所有开关 将 启动器放在 电路 中的相应位置 然后在镇流器上 并联一 2 2 0 V 6 0 W 的灯泡 即可 即在 图中左下 处通过导线 连接灯泡 L 然后再闭合 k 转动启 动器点亮 日光灯的过程中 可以看到此灯泡在点 亮过程的明显闪烁过程 灯泡 L I 在点亮过程明 显变亮很多 待灯管稳定后其亮度又稳定下来 5 如果想要演示 日光灯管在点亮前后 的电 压变化 可以在灯管上并联灯泡 实验中即可 看到灯泡 在 日光灯点亮前后明显变 暗了 从 而证明 日光灯正常工作后的电压比点亮前要小 这个实验用启动器断点不一定能够使灯管 点亮 如果取下启动器 S 用电键 k 来代替它 操 作时动作如果 明显而迅速 效果就会好很多 在使用此示教板时 要注意安全 防止触电 在演示时 最好能够将其悬挂于黑板前方并对应 于每一次演示画 出独立 的 P P T演示文稿来配合 说明电路的变化 否则学生很难在极短时间内识 破电路的变化 在电路和电路图中进行对应的比 较 教师根据 自身和学生的特点及要说明的问 题的不同 对这个示教板的设计及应用会有 自己 独特的见解 表现出教师的灵活性和现实课堂的 魅力所在 不一定要千篇一律 具体如何操作 要 由当时需要解决 的问题而定 四 日光灯工作过程中相关电压的测 量 与讨论 长期以来 许多中学物理教学参考资料对启 动器触点断开时的感应电动势应有多高 正常工 作时 日光灯两端 的电压到底有多大等问题往往 语焉不详 绝大多数教材采取了定性的说 明方 法 缺乏定量的证明和分析 例如 人教版初 中物理教学参考资料第二册 是这样解释 电流通过镇流器 启辉器触极和两 端灯丝构成通路 在两极断开的瞬间 电路 电 流突然切断 镇流器产生很大的 自感电动势 与 电源 电压叠加后作用于管两端 又如 人教版高 中物理第二册 必修加选修 则认 为 日光灯所 以 能发光是因为 电路突然中断的瞬间 由于镇流 器中的电流急剧减小 会产生很高的 自感电动 势 方 向与原来 的 电压 相 同 这 个感 应 电动势 与 电源 的电压加在一起 形成一个瞬时高 压 加在 灯管两端 使灯管中的气体放 电 而 由赵凯华 张维善编写的 新概念高中物理读本 第一册虽 对 日光灯 的发 光原理 有 所 阐述 但 也未 给 出便 于 学生认识理解 的说明 由于交流 电本身的电压随时间是变化的 不 像直流电源串联电动势相加那样令人信服 上述 教 材 中有 关 日光 灯 管 发光 过 程 暂 态过 程 看似 顺畅的解释 往往因缺乏必要 的数量分析而难 以 43 维普资讯 北京教育学院学 报 自然科学版 令 人信服 那么 能否在不引入过于高深的理论说明与 定量计算基础上 让学生也能真正体验并初步理 解 日光灯管瞬间发光的 暂态过程 呢 一个最好 的办法是 用实验测量这一过程 用 数据和事实 说话 随着学校实验设备的 日趋现代化 用实验 来展示点亮 日光灯管的 暂态过程 已有实现的 可能 下面简要介绍笔者利用北师大 Y O C 0公 司生产的电压传感器对该 暂态过程 如图 1 3 R1 图 1 3 所示 的测量 结果 由于镇流器和灯管两端 电压大于传感器的 量程 2 0 V 测量时分别采取了分压 的办法 电阻 箱所取数值已标在图中 传感器经过调零后 选 择串感器每秒钟测量 2 0 0 0个点 自动采集数据 总点数要求 1 0 0 0 0个 采取直流输入模式 图像 以时间为横轴 电压为纵轴 并选择双象限表示 方法 让计算机处理时对相临点进行连线 实验 时 先开始采集数据 然后闭合开关 这样就可以 测量 日光灯 的起动和正常工作的过程 中与镇流 器并联 的支路上 R 的电压 U 和与 日光灯管并 联支路上 R 的电压 U 随 时间变化的图像分别 如图 1 4和图 1 5所示 这个实验 的可重复性很 强 如动手去做 其他同行也应能够得出类似结 果 根据 图 1 4和图 1 5 可对测量结果提 出以下 结论 1 据图 1 4可以看出 日光灯正常工作后 镇流器上的电压可视为正弦波 在 4 0 0 m s之前 的时间均为起动过程 镇流器的瞬时高压最大值 大约出现在 4 0 0 ms 附近 起 1 7 47 9V 2 据图 1 5可以看出日光灯正常工作时的 电压不是正弦波 所 以要将其看成 电阻并不正 矗 j j 支 I 1 fI I I J 4 50 50 0 5 50 60 0 6 50 70 0 I 一 一 1 I i 一 i r h h h h h k t I h h h n 矗 f 1 h 一 l J 圳 一 丁 一 一 Il 0 l 一 图 季 i 抛 啪 维普资讯 雷广粮 中学物理 涉及 13 光灯教学 的几个实验 问题 确 3 日光灯正常工作后 闭合开关 4 0 0 ms 后 的电压最大值可以计算如下 U o 5 1 4 1 大于 新概念物理第一册给出的 9 0 V 4 日光灯点亮前电压 出现过零值 点亮前 其最 大值 可 以计算 如下 U起 I X3 3 6 0 9厂 8 0 0 1 2 3 3 9 V 这比市 电的最 大值 3 1 1 V 大不了太多 对 比 1 4 的结论 会发现教材 中 所说 的 镇流器产生很大的 自感电动势 并且与 原电压 同向 且与电源 电压叠加后作用于管两 端 的说法是错误的 因为灯管点亮前镇流器的 最大电压显然是大于灯管两端两端电压的 参考文献 1 梁灿彬 秦光戎 梁竹 健 电磁学 M 北京 高等 教育出版社 1 9 8 0 2 高 中物理第二册 必修 M 北京 人 民教 育出 版 社 2 0 0 3 3 高 中物 理第二册 必修加选修 M 北京 人 民 教育 出版社 2 0 0 3 4 赵凯华 张维善 新概 念高 中物理读本第一册 M 北京 人民教 育出版社 2 0 o 5 2 0 8 5 日 光 灯 的 工 作 原 理 h t t p w w w p e p c o rn c n 2 4 0 6 c a 4 4 4 8 6 7 h t ml S e v e r a l Ex p e r i me n t Pr o b l e ms a b o u t t h e Te a c h i n g o f Fl u o r e s c e n t La mp i n Mi d d l e S c h o o l P h y s i c s L e i Gu a n gL i a n g T h e m i d d l e s c h o o l a t t a c h e d t o B e ij i n g N o r m a l U n i v e r s i t y B e ij i n g 1 0 0 0 5 2 C h i n a Ab s t r a c t T h e l i g h t e n i n g o f fl u o r e s c e n t t u b e i s a t r a n s i e n t p r o c e s s Us u a l l y i t i s d i f fi c u l t t o me a s u r e t h e t r a n s i e n t p roc e s s q u a n t i t a t i v e l y b y e x p e r i me n t s Ap p e a r a n c e o f t h e s e n s o r a n d t h e d a t a a c q u i s i t i o n s y s t e m ma k e i t p o s s i b l e t o i mp r o v e t h e e x p e r i me n t me t h o d s I n t h i s p a p e r t h e me a s u r e o f t h e t r a n s i e n t p r o c e s s a n d r e l a t e d p r o b l e ms i s d i s c u s s e d s t a r t i n g wi t h t h e t r a d i t i o n a l e x p e r i me n t Ke y wo r d s fl u o r e s c e n t l a mp e x p e r i me n t t r a n s i e n t p r o c e s s 责任编辑张景瑞 上