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        節(jié)日彩燈探究實驗

        2011-03-20 03:42:08張玉成呂志華
        物理通報 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)日離不開五光十色的彩燈點綴.筆者在講授“串聯(lián)電路和并聯(lián)電路”中適當?shù)貫閷W(xué)生提供智趣相融、富有思考價值的“節(jié)日彩燈”問題,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,如果取走一個彩燈其余彩燈會閃亮嗎?

        (2)當其中一個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)小彩燈之間通過串聯(lián)而成,因此取走一個彩燈會使電路發(fā)生斷路而導(dǎo)致其余彩燈不會閃亮.

        圖2

        (2)當其中一個小彩燈的燈絲斷裂后,其余的小彩燈還能繼續(xù)發(fā)光,并且會比原來更亮,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圈細金屬絲.燈絲電阻冷時約為2.5Ω,熱時約為15Ω.細金屬絲的電阻為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,沒有電流流過.若加上較高的電壓(如220 V)時氧化層可被擊穿,細金屬絲與燈絲支架導(dǎo)通.如圖3所示,通過串聯(lián)一定數(shù)量的小彩燈使單個小彩燈兩端所加的電壓比它的額定電壓稍低,從而保證每個小彩燈都能基本正常發(fā)光.當某個小彩燈L的燈絲燒毀時,AB間形成斷路,220 V電壓就直接加到細金屬絲與燈絲導(dǎo)電支架AB之間,瞬間擊穿那段細金屬絲的氧化銅涂層,細金屬絲與燈絲導(dǎo)電支架導(dǎo)通,此時這個燈只相當于一段導(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于短路,剩余燈泡兩端各自分擔(dān)的電壓就多了,所以會比原來更亮.當然燒毀的小彩燈太多時,其余小彩燈也會因為電壓過高而全部燒毀.

        圖3

        (3)將某個小彩燈替換成“跳泡”(圖1),它會使電路不斷通斷,使彩燈一會滅一會亮.“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,電流通過燈絲時,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,整串彩燈都不發(fā)光.斷電后,右側(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),其中幾個彩燈不亮造成短路后整個電路電阻變小,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.

        新形勢下的物理實驗教學(xué)不僅要培養(yǎng)學(xué)生實際操作技能的手段,更重要的還是培養(yǎng)學(xué)生的發(fā)散思維,開發(fā)學(xué)生認知能力的方法.小彩燈出現(xiàn)在中學(xué)物理教科書中,不能只把它當成一個產(chǎn)品介紹,要把著眼點放在小彩燈工作的探究過程上.通過學(xué)生展示論證的思維過程,體驗發(fā)現(xiàn)的樂趣,形成將科學(xué)技術(shù)與日常生活、社會實踐相結(jié)合的意識.

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