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        物理教學(xué)中值得探討的白熾燈燈絲熔斷問(wèn)題

        2010-03-21 07:45:30梅硯君
        物理通報(bào) 2010年1期
        關(guān)鍵詞:白熾燈燈絲電爐

        梅硯君

        (淄博實(shí)驗(yàn)中學(xué) 山東 淄博 255090)

        白熾燈是照明電路中的最重要最常見的電器.燈泡的構(gòu)造和使用中蘊(yùn)含著許多物理知識(shí),因而白熾燈也成為中學(xué)物理教學(xué)中常舉的例子,尤其是白熾燈的燈絲燒斷現(xiàn)象更是生活中的常見物理現(xiàn)象,是貼近學(xué)生生活、激發(fā)學(xué)生興趣的好題材.在教材和教學(xué)中雖有所涉及,但不夠全面和深入.在這里,筆者把此問(wèn)題作一較全面的分析.

        對(duì)于燈泡的燈絲易在開燈的一瞬間燒毀,一般的解釋很簡(jiǎn)單:燈絲正常工作時(shí)的電阻是未接入電路時(shí)的10多倍,在開燈瞬間電流很大,實(shí)際功率高出額定功率的十余倍,故易燒毀.這種解釋令人頗費(fèi)推敲,乍一想似乎就是在開燈的一瞬間,電流很大,使燈絲溫度急劇升高,一下子竄到3 000多攝氏度.達(dá)到了鎢的熔點(diǎn),將燈絲燒毀了.仔細(xì)一想又不妥,因?yàn)楫?dāng)燈絲整體溫度升至2 000多攝氏度時(shí),燈絲電阻已增大10多倍而進(jìn)入正常工作狀態(tài),燈絲溫度不會(huì)再繼續(xù)升高到3 000多攝氏度.那么,燈絲為什么又會(huì)燒毀呢?這里面應(yīng)有更深刻的原因.

        實(shí)際上,我們細(xì)心觀察一下,在正常電壓下合格的燈泡,不論是在開燈瞬間燒毀,還是在工作過(guò)程中燒毀,其燈絲都是從某一處斷開,尤其以燒斷燈絲與接線柱的接頭處為多,而絕無(wú)整體燒熔現(xiàn)象.這說(shuō)明燈絲整體溫度并沒(méi)升至熔點(diǎn),燈絲燒毀的現(xiàn)象是由于燈絲某處的升溫過(guò)高所致.為什么會(huì)發(fā)生這種現(xiàn)象呢?這是因?yàn)樵跓艚z制作過(guò)程中不可能做到粗細(xì)均勻,細(xì)的部位電阻要大一些,再者燈絲與接線柱的接頭處存在接觸電阻.若因制作工藝不精細(xì)或接頭處松動(dòng)等原因造成這兩處電阻過(guò)大,就埋下了燈絲被燒毀的隱患.根據(jù)焦耳定律和歐姆定律,在開燈瞬間,燈絲整體溫度尚未升起時(shí),過(guò)大的電流得不到有效的遏制,電阻較大的部位溫度先升高,而溫度的升高又導(dǎo)致該處的電阻變得更大,更大的電阻導(dǎo)致發(fā)熱更多,如此形成惡性循環(huán),最終使該處極易升至熔點(diǎn)而被燒毀.

        我們也可以通過(guò)一個(gè)實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證:將1 000 W電爐絲的某一處用銼刀銼細(xì)一些,并將接頭處安裝得松一些,保持一個(gè)較大的接觸電阻,然后接入電路.可以看到電爐絲較細(xì)處和接頭處先發(fā)熱變紅,接頭處有時(shí)還被燒得冒火花.電爐絲正常工作后,這兩處也要比別處更亮一些,溫度更高一些.實(shí)際使用中這兩處總是比別的地方容易燒斷.

        作為應(yīng)急措施,對(duì)燒斷燈絲的白熾燈,重新搭好燈絲后,白熾燈可以繼續(xù)使用,而且較以前更亮.如果再次燒斷的話,最有可能燒斷的地方在哪里呢?對(duì)于這個(gè)問(wèn)題,有以下兩種情況.

        (1)若搭接處接觸緊密,那么可能從接頭以外的地方燒斷.這是因?yàn)榻宇^接觸良好,此處電阻的橫截面積將會(huì)增大,造成此處的電阻在相同長(zhǎng)度上小于其他地方.可將接頭處的燈絲電阻與其他相同長(zhǎng)度的燈絲電阻看成串聯(lián),因?yàn)榱鬟^(guò)的電流相等,由焦耳定律可知,在相同時(shí)間內(nèi),接頭以外的其他地方產(chǎn)生的熱更多,溫度升高較快,更容易達(dá)到熔點(diǎn)而熔斷.一般這種情況較少.

        (2)若搭接處接觸較松,則可能從該處燒斷.這是因?yàn)榻宇^處較松,接觸電阻大,因而該處電阻在相等長(zhǎng)度上大于其他地方,與前述結(jié)果相反.由焦耳定律知,在相同時(shí)間里,接頭處產(chǎn)生的熱大于其他地方,這時(shí)可能從接頭處燒斷.實(shí)際中以此種情況居多.

        由以上分析不難看出,若燈絲的制作達(dá)到粗細(xì)均勻,燈絲接頭處很緊密,則開燈時(shí),燈絲將均勻升溫至正常發(fā)光,燈絲在開燈瞬間被燒毀的現(xiàn)象可以最大程度地避免.因此,燈絲制作是否粗細(xì)均勻,燈絲接頭處是否緊密,是影響燈泡壽命的重要因素,應(yīng)成為燈泡制造業(yè)的一項(xiàng)重要質(zhì)量指標(biāo).

        生活中,為了有效防止燈絲燒斷,可以把白熾燈的開關(guān)改為可調(diào)節(jié)電流的開關(guān).開燈之初,控制電流較小,讓燈絲預(yù)熱,溫度升高、電阻增大后,再調(diào)到滿亮度,這樣就可以避免瞬間高溫將燈絲燒斷.也可以改變燈泡內(nèi)的填充氣體類型或采用其他辦法,使燈絲周圍散熱加快,不讓燈絲的能量聚集、升溫過(guò)快,過(guò)高.

        在物理教學(xué)中,巧妙地利用燈絲熔斷問(wèn)題將相關(guān)的知識(shí)點(diǎn)連接起來(lái),對(duì)提高學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣會(huì)大有益處的.

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