孫佩雄 蔣甜甜

(天津師范大學 天津 300387)

輝光球作為一種具有娛樂性的電子科技產(chǎn)品，近年來不僅被科技館、學校作為實驗演示器材，更是在各類商業(yè)活動、酒吧、餐廳中頻繁出現(xiàn)．對其原理進行研究后，不難發(fā)現(xiàn)，高中物理中電學部分以及原子結(jié)構(gòu)部分的相關(guān)知識在輝光球?qū)嶒炛卸嫉玫搅顺浞值膽?yīng)用和驗證．因此，將輝光球?qū)嶒瀾?yīng)用到教學中，可以使學生將所學的知識與實驗現(xiàn)象結(jié)合起來，在激發(fā)學生學習熱情的同時，也可以使他們的探究能力得到提升．

1 輝光球的發(fā)光原理

輝光球的密閉球殼采用高強度的透明玻璃制成，球體中心為一個黑色電極，電極內(nèi)由金屬絲彎繞后填充，底座內(nèi)安裝有振蕩電路板．將輝光球通電時，球體內(nèi)部會出現(xiàn)一些輻射狀的輝光，色彩十分亮麗奪目，如圖1所示．

圖1 輝光球

圖2 輝光球內(nèi)電子受力情況

輝光球內(nèi)的氣體一般為惰性氣體，這是由于單原子氣體的動能完全表現(xiàn)在平移的運動上，可以在碰撞中有效地將能量轉(zhuǎn)移給被激發(fā)的原子．本次實驗筆者采用的是充有氖、氬、氙混合氣體的輝光球，可以觀察到輝光條紋在靠近中心電極的一側(cè)呈紫色，外側(cè)呈紅色．因為隨著半徑的增大，電場逐漸減弱，游離電子所受到的電場力也隨之減小，假設(shè)球體內(nèi)部的氣體密度是均勻的，加速距離不變，其積累的能量就會隨著半徑的增大而減小，所激發(fā)的輝光的能量也隨之降低，如圖2所示．

ΔEk=ΔWe=FeΔr=qEΔr

W光子=hν

又有

E內(nèi)>E外

則

W內(nèi)層光子>W外層光子

當然，由于不同原子的發(fā)光頻率是不一樣的，選用不同氣體的輝光球進行實驗也可觀察到不同顏色的輝光．

除了高電壓和氣體種類之外，想要使輝光球發(fā)光，還要注意球內(nèi)氣體的密度，通常將其控制在10-4～10-1atm的低氣壓．密度過高，會限制游離態(tài)電子的加速距離，進而導致其不能積累足夠的動能，由動能定理可知

ΔEk=ΔWe=FeΔr

光子能量

W光子=hν

因此只有當ΔEk>W光子時才可能使其輻射輝光．但是如果密度過低，又會大幅減小游離態(tài)電子碰撞的幾率，導致所輻射的輝光稀疏，不利于觀察，可見球內(nèi)密度也并非越低越好．

2 人手觸摸輝光球時的現(xiàn)象分析

當人用手觸摸光輝球表面時，可以觀察到輝光被手吸引的神奇現(xiàn)象，如圖3所示．輝光球內(nèi)部的光芒說明內(nèi)部的氣體已經(jīng)導通，其外殼的電勢雖然遠小于中心的電極，但是仍然高于地面電勢．當人手觸摸光球表面時，人體上從手到腳就產(chǎn)生了明顯的電勢差，又因為人體的電阻小于輝光球之外氣體的電壓，所以有大量電流集中在手觸摸處透過玻璃傳至手上，再經(jīng)人體傳至地面．

圖3 人手觸摸輝光球時的現(xiàn)象

人手觸摸球體表面時，人體存在電勢差，也有電流通過，此時電勢差雖然較大，但人體并沒有觸電的感覺，這表示傳入人體的電勢能很少，根據(jù)公式

W=Uq

推導出流入人體的電荷量很少，流經(jīng)人體的電流也很小．說明高電壓還需要搭配足夠的電荷量，才可以輸出大量的電能．

3 利用輝光球點燈的實驗

3.1 日光燈管的發(fā)光原理

正常情況下，日光燈的燈絲受熱會發(fā)射出大量電子，這些電子在燈管兩端高電壓的作用下加速，能夠以極大的速度由電勢較低處向電勢較高處運動．運動的過程中與管內(nèi)氬氣分子碰撞，使其迅速電離．氬氣電離產(chǎn)生的熱量使液態(tài)水銀變成蒸氣，隨即水銀蒸氣也被電離，發(fā)出強烈的紫外線．在紫外線的作用下，燈管內(nèi)壁的熒光粉發(fā)出白色的可見光．

3.2 輝光球點燈

用日光燈管的一端接觸輝光球，可以觀察到燈管被點亮了，如圖4所示；將日光燈管離開輝光球，在距離球體2 cm的范圍內(nèi)，日光燈管仍能發(fā)光，只是亮度有所降低．這是由于日光燈管與輝光球接觸時，燈管產(chǎn)生了極高的電勢差，導致了燈管內(nèi)氣體被激發(fā)，被激發(fā)的汞氣體分子發(fā)出紫外線，作用在管壁的熒光粉上發(fā)出白色可見光．日光燈管不接觸輝光球時，燈管的電勢差雖然會降低，但是燈管仍可被點亮，說明該電勢差足以使管內(nèi)氣體電離．這一原理與輝光球發(fā)光的原理相似．

圖4 輝光球點燈

若想使被輝光球點亮的日光燈熄滅，關(guān)鍵在于降低燈管兩端的電勢差，讓燈管的一端與輝光球接觸，另一端用手握住，再用另一只手也觸摸輝光球，此時燈管兩端均與輝光球表面的電勢相等，電勢差為零，燈管不再發(fā)光．

利用輝光球還可以間接點燈，第一個人用一只手接觸輝光球，另一只手握住燈管一端，第二個人用一只手握住燈管的另一端．由于電流經(jīng)過人體后，電勢差已有明顯下降，無法使燈管發(fā)光．想要使燈管被點亮，第一種途徑是，在無法提高電勢差的情況下，提高電場，根據(jù)公式

可知，縮短兩人手握燈管的距離可以有效地提高管內(nèi)的電場，使氣體電離，燈管發(fā)亮．另一種途徑則是試著提高手握燈管兩側(cè)的電勢差，讓提供高電勢者(觸摸輝光球的人)鞋底絕緣或騰空，也可使燈管被點亮．

4 輝光球?qū)嶒炘诟咧形锢斫虒W中的應(yīng)用

在人教版高中物理教材中，有兩部分知識與輝光球?qū)嶒炗兄芮械穆?lián)系．一部分是《物理·選修3-1》第一章“靜電場”；另一部分是《物理·選修3-5》第十八章“電子結(jié)構(gòu)”．

在電學部分的教學中，可以利用輝光球的系列實驗來增強學生對電勢、電勢差(電壓)等知識的理解．尤其是間接點燈的實驗，在強調(diào)電勢差的同時，還將電勢差、電場及距離3個物理量有機地結(jié)合在一起，通過實例，使學生對這一部分的知識形成整體的把握．同時，這一系列的實驗也對高中物理中“產(chǎn)生電流需要有閉合回路”這一知識點提出挑戰(zhàn)，實際上此實驗中“閉合回路”并非產(chǎn)生電流的必要條件，而關(guān)鍵在于“電勢差”和“電場”．

在原子部分的教學中，利用輝光球的實驗為學生講解電離、軌道量子化以及能級躍遷等知識，可以使抽象的知識具體化，有助于學生的理解．同時，原子結(jié)構(gòu)的相關(guān)知識比較枯燥，利用輝光球?qū)嶒炦M行教學可以增強學生學習的興趣，從而使學生更好地掌握知識．

最后，教師還可以利用點燈實驗為學生講解日光燈與白熾燈的區(qū)別．輝光球不能使白熾燈發(fā)光，是因為白熾燈發(fā)光與否取決于燈絲的溫度，屬于熱光源．白熾燈發(fā)光時燈絲的電阻將電能轉(zhuǎn)化為熱能，且產(chǎn)生的熱能功率需大于燈絲散熱速率，才能使燈絲溫度上升，約達到500 ℃以上時才可以發(fā)出可見光．

參考文獻

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