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        節(jié)日彩燈探究實(shí)驗(yàn)

        2011-03-20 03:42:08張玉成呂志華
        物理通報(bào) 2011年10期
        關(guān)鍵詞:金屬絲燈絲彩燈

        張玉成 呂志華

        (滕州市第一中學(xué) 山東 滕州 277500)

        喜慶的節(jié)日離不開(kāi)五光十色的彩燈點(diǎn)綴.筆者在講授“串聯(lián)電路和并聯(lián)電路”中適當(dāng)?shù)貫閷W(xué)生提供智趣相融、富有思考價(jià)值的“節(jié)日彩燈”問(wèn)題,作為鏈接課堂內(nèi)外的紐帶,引導(dǎo)學(xué)生的思維向縱深發(fā)展.

        1 問(wèn)題與觀察

        (1)彩燈是由一定數(shù)量的小彩燈串聯(lián)而成,如果取走一個(gè)彩燈其余彩燈會(huì)閃亮嗎?

        (2)當(dāng)其中一個(gè)小彩燈的燈絲斷裂后,其余的小彩燈還能繼續(xù)發(fā)光嗎?觀察演示,看到的現(xiàn)象與你的猜想是否一致?

        圖1

        (3)將某個(gè)小彩燈替換成“跳泡”(啟輝器),如圖1所示,觀察演示,你能解釋看到的現(xiàn)象嗎?

        (4)閃爍的彩燈熄滅幾只后,觀察比較其余彩燈的亮度及其閃爍頻率的變化,你能解釋嗎?

        2 現(xiàn)象與解釋

        (1)小彩燈之間通過(guò)串聯(lián)而成,因此取走一個(gè)彩燈會(huì)使電路發(fā)生斷路而導(dǎo)致其余彩燈不會(huì)閃亮.

        圖2

        (2)當(dāng)其中一個(gè)小彩燈的燈絲斷裂后,其余的小彩燈還能繼續(xù)發(fā)光,并且會(huì)比原來(lái)更亮,其中的奧妙源自小彩燈的特殊構(gòu)造.圖2所示是一款規(guī)格為“2.5 V,0.25 A”小彩燈的“解剖圖”,在燈絲導(dǎo)電支架上除了有燈絲和起固定作用的小玻璃珠以外,還繞有約4圈細(xì)金屬絲.燈絲電阻冷時(shí)約為2.5Ω,熱時(shí)約為15Ω.細(xì)金屬絲的電阻為1 Ω.正常(低壓)情況下,由于支架表面有一層氧化銅涂層的緣故,它與燈絲支架是不導(dǎo)通的,沒(méi)有電流流過(guò).若加上較高的電壓(如220 V)時(shí)氧化層可被擊穿,細(xì)金屬絲與燈絲支架導(dǎo)通.如圖3所示,通過(guò)串聯(lián)一定數(shù)量的小彩燈使單個(gè)小彩燈兩端所加的電壓比它的額定電壓稍低,從而保證每個(gè)小彩燈都能基本正常發(fā)光.當(dāng)某個(gè)小彩燈L的燈絲燒毀時(shí),AB間形成斷路,220 V電壓就直接加到細(xì)金屬絲與燈絲導(dǎo)電支架AB之間,瞬間擊穿那段細(xì)金屬絲的氧化銅涂層,細(xì)金屬絲與燈絲導(dǎo)電支架導(dǎo)通,此時(shí)這個(gè)燈只相當(dāng)于一段導(dǎo)線起到連接作用,這樣其他小彩燈就能繼續(xù)工作,這就是串聯(lián)的小彩燈為什么其中有的燈絲熔斷了其他的還能繼續(xù)工作的原因.由于彩燈熔斷后擊穿金屬絲相當(dāng)于短路,剩余燈泡兩端各自分擔(dān)的電壓就多了,所以會(huì)比原來(lái)更亮.當(dāng)然燒毀的小彩燈太多時(shí),其余小彩燈也會(huì)因?yàn)殡妷哼^(guò)高而全部燒毀.

        圖3

        (3)將某個(gè)小彩燈替換成“跳泡”(圖1),它會(huì)使電路不斷通斷,使彩燈一會(huì)滅一會(huì)亮.“跳泡”在常溫下中間豎立的雙金屬片和旁邊的倒L形引線接觸在一起,電流通過(guò)燈絲時(shí),燈絲發(fā)熱、發(fā)光,右側(cè)的雙金屬片受熱膨脹向右彎曲,如圖1所示,使電路斷開(kāi),整串彩燈都不發(fā)光.?dāng)嚯姾?,右?cè)雙金屬片受冷收縮后又向左側(cè)彎曲,使電路變成通路,整串彩燈發(fā)光,就這樣雙金屬片受熱彎曲使彩燈熄滅,受冷后向左側(cè)彎曲使電路接通.這就是同樣是裝飾小彩燈,為什么有的彩燈能閃爍有的不閃爍的原因了,完全歸功于這個(gè)與眾不同的 “跳泡”.

        (4)由于小彩燈的連接方式是串聯(lián),其中幾個(gè)彩燈不亮造成短路后整個(gè)電路電阻變小,電流變大,根據(jù)焦耳定律燈絲產(chǎn)生的熱量增大,可以更快地使雙金屬片受熱彎曲,雙金屬片受熱形變,頻率加快導(dǎo)致跳泡通斷的頻率加快,所以同樣閃爍的彩燈滅了幾只以后其他彩燈的閃爍反而更快.

        新形勢(shì)下的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)不僅要培養(yǎng)學(xué)生實(shí)際操作技能的手段,更重要的還是培養(yǎng)學(xué)生的發(fā)散思維,開(kāi)發(fā)學(xué)生認(rèn)知能力的方法.小彩燈出現(xiàn)在中學(xué)物理教科書(shū)中,不能只把它當(dāng)成一個(gè)產(chǎn)品介紹,要把著眼點(diǎn)放在小彩燈工作的探究過(guò)程上.通過(guò)學(xué)生展示論證的思維過(guò)程,體驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的樂(lè)趣,形成將科學(xué)技術(shù)與日常生活、社會(huì)實(shí)踐相結(jié)合的意識(shí).

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