辉光球的发光原理及在物理教学中的应用

1、2 0 1 3 年第1 i 期物理通报知识介绍 介辉光球的发光原理及在物理教学中的应用 翳 孙佩雄蒋甜甜 ( 天津师范大学天津 3 0 0 3 8 7 ) ( 收稿日期：2 0 1 3 0 4 2 5 ) 摘要：介绍了辉光球的结构及发光原理，并对人手触摸辉光球时的现象以及辉光球点灯的实验做了分析文 章最后对辉光球实验在高中物理教学中的应用做出了阐述 关键词：辉光球 辉光球点灯高中物理 辉光球作为一种具有娱乐性的电子科技产品， 近年来不仅被科技馆、学校作为实验演示器材，更是 在各类商业活动、酒吧、餐厅中频繁出现对其原理 进行研究后，不难发现，高中物理中电学部分以及原 子结构部分的相关知识在辉光球

2、实验中都得到了充 分的应用和验证因此，将辉光球实验应用到教学 中，可以使学生将所学的知识与实验现象结合起来， 在激发学生学习热情的同时，也可以使他们的探究 能力得到提升 1 辉光球的发光原理 辉光球的密闭球壳采用高强度的透明玻璃制 成，球体中心为一个黑色电极，电极内由金属丝弯绕 后填充，底座内安装有振荡电路板将辉光球通电 时，球体内部会出现一些辐射状的辉光，色彩十分亮 丽夺目，如图1 所示 认识物理世界起到不可替代的作用1 8 1 8 年，当法 国物理学家菲涅耳提出光的波动理论时，著名数学 家泊松是光的波动说的反对者，他根据菲涅耳的理 论推算出：把一个不透光的小的圆盘状物放在光束 中，在距这个

3、圆盘一定距离的像屏上，圆盘的阴影中 心应当出现一个亮斑这是令人难以相信的，因而认 为这是荒谬的但是恰巧，菲涅耳试验中看到了这个 亮斑，这样，泊松的计算反而支持了光的波动说而 后人却戏剧性地称这个亮点为泊松亮斑口 当很多科学家用理论观点研究光学让科学研究 陷入黑暗之中时，泊松亮斑给人们豁然一新的感觉 图i辉光球 向辉光球输入低压直流电( 一般在5 1 2v ) ， 振荡电路板会将其变成高压脉冲直流电，使球体中 心的电极具有极高的电压，通常在1 00 0 0v 以上 r r 此时电极与外球之间产生极高的电势差，由e 一导 a 可知，球体内存在着很强的电场球体外围的电子在 强电场的作用下被电离，这些

4、游离态的电子在强电 场中受到电场力的作用( f eq ) ，迅速加速，当 由此可见，实践对科学发展的巨大推动力坚持实践 决定理论的观点，实践是检验真理的唯一标准，有助 于我们更好的科学研究，认识世界! 鼓励学生在生 活和实践中学习物理，用实践和实验的方法研究物 理，提高学生对物理来源于实践、应用于实践意识 参考文献 l 刘筱莉，等著物理学史南京：南京师范大学出版社， 2 0 0 5 1 7 5 ，2 2 2 2 物理课程教材研究开发中心编著高中物理3 1 北京： 人民教育出版社，2 0 0 7 1 0 一1 2 3 一 d 口n知识 万方数据 2 0 1 3 年第1 1 期物理通报 知识介绍

5、其积累了足够的能量之后，如果与其他受原子束缚 的电子碰撞，会使原子处于激发态处于激发态的原 子会自发向较低能级跃迁并发出光子，这就是人们 所观察到的光芒而我们所观察到的条纹形状则代 表了电子受电场力作用时的加速路径 惩 p 5 图2辉光球内电子受力情况 辉光球内的气体一般为惰性气体，这是由于单 原子气体的动能完全表现在平移的运动上，可以在 碰撞中有效地将能量转移给被激发的原子本次实 验笔者采用的是充有氖、氩、氙混合气体的辉光球， 可以观察到辉光条纹在靠近中心电极的一侧呈紫 色，外侧呈红色因为随着半径的增大，电场逐渐减 弱，游离电子所受到的电场力也随之减小，假设球体 内部的气体密度是均匀的，加速

6、距离不变，其积累的 能量就会随着半径的增大而减小，所激发的辉光的 能量也随之降低，如图2 所示 e k a w ，一f ，a r q e a r w 光子一h v 又有 e 内 e 外 贝4w 内屡光子 w 外层光子 当然，由于不同原子的发光频率是不一样的，选 用不同气体的辉光球进行实验也可观察到不同颜色 的辉光 除了高电压和气体种类之外，想要使辉光球发 光，还要注意球内气体的密度，通常将其控制在1 0 _ 4 1 0 _ 1a t m 的低气压密度过高，会限制游离态电子 的加速距离，进而导致其不能积累足够的动能，由动 能定理可知 e k a w ，一f ，a r 光子能量w 光子一h v 因

7、此只有当a e 。 w 光子时才可能使其辐射辉 光但是如果密度过低，又会大幅减小游离态电子碰 撞的几率，导致所辐射的辉光稀疏，不利于观察，可 见球内密度也并非越低越好 一1 2 4 2 人手触摸辉光球时的现象分析 当人用手触摸光辉球表面时，可以观察到辉光 被手吸引的神奇现象，如图3 所示辉光球内部的光 芒说明内部的气体已经导通，其外壳的电势虽然远 小于中心的电极，但是仍然高于地面电势当人手触 摸光球表面时，人体上从手到脚就产生了明显的电 势差，又因为人体的电阻小于辉光球之外气体的电 压，所以有大量电流集中在手触摸处透过玻璃传至 手上，再经人体传至地面 图3人手触摸辉光球时的现象 人手触摸球体表

8、面时，人体存在电势差，也有电 流通过，此时电势差虽然较大，但人体并没有触电的 感觉，这表示传人人体的电势能很少，根据公式 w 一啦 推导出流人人体的电荷量很少，流经人体的电流也 很小说明高电压还需要搭配足够的电荷量，才可以 输出大量的电能 3 利用辉光球点灯的实验 3 1 日光灯管的发光原理 正常情况下，日光灯的灯丝受热会发射出大量 电子，这些电子在灯管两端高电压的作用下加速，能 够以极大的速度由电势较低处向电势较高处运动 运动的过程中与管内氩气分子碰撞，使其迅速电离 氩气电离产生的热量使液态水银变成蒸气，随即水 银蒸气也被电离，发出强烈的紫外线在紫外线的作 用下，灯管内壁的荧光粉发出白色的可

9、见光 3 2 辉光球点灯 用日光灯管的一端接触辉光球，可以观察到灯 管被点亮了，如图4 所示；将日光灯管离开辉光球， 在距离球体2c m 的范围内，日光灯管仍能发光，只 是亮度有所降低这是由于日光灯管与辉光球接触 时，灯管产生了极高的电势差，导致了灯管内气体被 激发，被激发的汞气体分子发出紫外线，作用在管壁 万方数据 2 0 1 3 年第1 1 期 物理通报知识介绍 的荧光粉上发出白色可见光日光灯管不接触辉光 球时，灯管的电势差虽然会降低，但是灯管仍可被点 亮，说明该电势差足以使管内气体电离这一原理与 辉光球发光的原理相似 图4辉光球点j = 若想使被辉光球点亮的日光灯熄灭，关键在于 降低灯管

10、两端的电势差，让灯管的一端与辉光球接 触，另一端用手握住，再用另一只手也触摸辉光球， 此时灯管两端均与辉光球表面的电势相等，电势差 为零，灯管不再发光 利用辉光球还可以间接点灯，第一个人用一只 手接触辉光球，另一只手握住灯管一端，第二个人用 一只手握住灯管的另一端由于电流经过人体后，电 势差已有明显下降，无法使灯管发光想要使灯管被 点亮，第一种途径是，在无法提高电势差的情况下， 提高电场，根据公式 e 一旦d l 第一章“静电场”；另一部分是物理选修3 5 第十八章“电子结构” 在电学部分的教学中，可以利用辉光球的系列 实验来增强学生对电势、电势差( 电压) 等知识的理 解尤其是间接点灯的实验

11、，在强调电势差的同时， 还将电势差、电场及距离3 个物理量有机地结合在 一起，通过实例，使学生对这一部分的知识形成整体 的把握同时，这一系列的实验也对高中物理中“产 生电流需要有闭合回路”这一知识点提出挑战，实 际上此实验中“闭合回路”并非产生电流的必要条 件，而关键在于“电势差”和“电场” 在原子部分的教学中，利用辉光球的实验为学 生讲解电离、轨道量子化以及能级跃迁等知识，可以 使抽象的知识具体化，有助于学生的理解同时，原 子结构的相关知识比较枯燥，利用辉光球实验进行 教学可以增强学生学习的兴趣，从而使学生更好地 掌握知识 最后，教师还可以利用点灯实验为学生讲解日 光灯与白炽灯的区别辉光球不

12、能使白炽灯发光，是 因为白炽灯发光与否取决于灯丝的温度，属于热光 源白炽灯发光时灯丝的电阻将电能转化为热能，且 产生的热能功率需大于灯丝散热速率，才能使灯丝 温度上升，约达到5 0 0 以上时才可以发出可见光 可知，缩短两人手握灯管的距离可以有效地提 参考文献 高管内的电场，使气体电离，灯管发亮另一种途径 1 雷广粮中学物理中有关日光灯的几个问题物理通报， 则是试着提高手握灯管两侧的电势差，让提供高电 2 0 0 7 ( 5 ) ：2 3 2 7 势者( 触摸辉光球的人) 鞋底绝缘或腾空，也可使灯 2 何桂明用辉光球与日光灯开展趣味气体放电实验物 管被点亮 理教学探讨，2 0 1 0 ，2 8

13、 ( 8 ) ：5 4 5 5 3 熊举峰，谭红明辉光球的教学演示设计湖南中学物 4 辉光球实验在高中物理教学中的应用理，2 0 0 9 ( 7 ) ：4 2 4 3 在人教版高中物理教材中有两部分知识与辉 4 羹麓恶蓑理教材教洗厶中逢甲大学出版社， 光球实验有着密切的联系一部分是物理选修3 一 l u m i n o u sp r i n o l eg l o wb a l landnminousr i n c ll eo n i t sa p p l i c a t i o ni np h y s i c st e a c h i n g s u np e i x i o n gj i a

14、 n gt i a nt i a n ( t i a n j i nn o r m a lu n i v e r s i t y ，t i a n j i n3 0 0 3 8 7 ) a b s t r a c t ：g l o wb a l l ( e l e c t r o s t a t i cb a l l ) i sak i n do fe l e c t r o n i cp r o d u c tt h a tw i d e l yu s e dt o d a y i nt h i sp a p e rt h e s t r u c t u r ea n dt h el i g

15、 h t e m i t t i n gp r i n c i p l eo fg l o wb a l lw a si n t r o d u c e da n dt h eh a n d 。t o u c hp h e n o m e n o nw a s a n a l y z e d ，t o g e t h e rw i t ht h eg l o wb a l ll i g h te x p e r i m e n t s t h ea p p l i c a t i o no fg l o wb a l li nh i g hs c h o o le d u c a t i o nw a s i l l u s t r a t e di nt h ee n d k e yw o r d s ：g l o wb a l l ；l i g h t e m i t t i n gp r i n c i p l e ；h i g hs c h o o lp h y s i c s 12 5 万方数据 辉光球的发光原理及在物理教学中的应用辉光球的发光原理及在物理教学中的应用 作者：孙佩雄， 蒋甜甜， sun peixiong， jiang tiantian 作者单位：天津师范大学 天津 300387 刊名： 物理通报 英文刊名：physics bulle