呂穎 李德安

(華南師范大學(xué)物理與電信工程學(xué)院 廣東 廣州 510006)

1 輝光球簡(jiǎn)介

輝光球又稱(chēng)為電離子魔幻球、等離子球，其發(fā)光現(xiàn)象屬于稀有氣體在高頻高壓電場(chǎng)作用下的輝光放電，如圖1所示.輝光球的玻璃球殼內(nèi)充有低壓的稀有氣體，中心有一電極，與底座的震蕩電路板相連．打開(kāi)開(kāi)關(guān)，振蕩電路板將220 V的交流電或12 V的直流電轉(zhuǎn)化成高頻高壓，經(jīng)電極釋放出來(lái)，形成一個(gè)強(qiáng)電場(chǎng)．空腔內(nèi)的帶電粒子在電場(chǎng)作用下運(yùn)動(dòng)，與中性氣體分子發(fā)生非彈性碰撞，將能量傳遞給氣體分子．吸收能量后的氣體分子有兩種狀態(tài)，即激發(fā)態(tài)和電離態(tài)，處于激發(fā)態(tài)的原子很不穩(wěn)定，它們會(huì)很快地回到基態(tài)并以光子的形式釋放能量．輝光球發(fā)出的光就是大量原子在能級(jí)間躍遷的結(jié)果，光線(xiàn)顯示了帶電粒子在電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的路徑．

圖1 輝光球?qū)嵨飯D

由于處在電場(chǎng)中的導(dǎo)體達(dá)到靜電平衡的時(shí)間約為10-17～10-19s[1]，遠(yuǎn)小于輝光球的交變電場(chǎng)周期，因此可以把輝光球產(chǎn)生的電場(chǎng)當(dāng)做靜電場(chǎng)，利用其演示靜電實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象．

2 研究現(xiàn)狀

輝光球作為一種電子娛樂(lè)產(chǎn)品，因具有安全性高、神秘夢(mèng)幻的特點(diǎn)被有些科技館、學(xué)校用作演示器材．有些教師設(shè)計(jì)了關(guān)于輝光球的發(fā)光現(xiàn)象、手觸摸球殼時(shí)殼內(nèi)輝光變化及輝光球點(diǎn)亮日光燈等系列實(shí)驗(yàn)的展示過(guò)程[2]，也有教師開(kāi)發(fā)出了一系列輝光球使日光燈發(fā)光的演示實(shí)驗(yàn)[3]，接著又有教師用輝光球來(lái)探究靜電現(xiàn)象，如模擬點(diǎn)電荷周?chē)妶?chǎng)線(xiàn)的分布、展示強(qiáng)度的變化[4]以及演示靜電屏蔽現(xiàn)象[5]，更有教師將輝光球應(yīng)用于中學(xué)物理“靜電場(chǎng)”和“電子結(jié)構(gòu)”兩個(gè)部分的教學(xué)中[6]．

事實(shí)上，這些實(shí)驗(yàn)多數(shù)是用日光燈和氖管作為實(shí)驗(yàn)器材開(kāi)發(fā)出來(lái)的，實(shí)驗(yàn)原理也大同小異．那么，輝光球在物理教學(xué)中還有哪些應(yīng)用呢？接下來(lái)筆者就介紹幾種用輝光球進(jìn)行的物理演示實(shí)驗(yàn)．

3 輝光球在物理教學(xué)中的應(yīng)用

3.1 模擬點(diǎn)電荷產(chǎn)生的電場(chǎng)及同性點(diǎn)電荷之間的相互作用

實(shí)驗(yàn)器材：兩個(gè)相同的輝光球.

操作步驟及實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：如圖2(a)所示，打開(kāi)輝光球的開(kāi)關(guān)，可以看到光束以電極為中心向球殼輻射，成球?qū)ΨQ(chēng)分布，與點(diǎn)電荷的電場(chǎng)線(xiàn)分布十分相像[6]．如圖2(b)所示，將兩個(gè)輝光球相互靠近，則兩輝光球的光線(xiàn)不再成球?qū)ΨQ(chēng)分布，兩電極連線(xiàn)的中點(diǎn)O附近光線(xiàn)稀疏．

圖2 光線(xiàn)分布示意圖

實(shí)驗(yàn)原理：輝光球的發(fā)光現(xiàn)象屬于高頻的無(wú)極放電，球形電極為一極，另外一極在無(wú)窮遠(yuǎn)處，兩電極的極性隨電壓的改變而改變．因此，球形電極周?chē)碾妶?chǎng)以電極為中心成球?qū)ΨQ(chēng)分布，在極短的時(shí)間內(nèi)與點(diǎn)電荷產(chǎn)生的電場(chǎng)類(lèi)似．由于球內(nèi)氣體稀薄，所以帶電粒子的運(yùn)動(dòng)路徑與電場(chǎng)線(xiàn)重合，光線(xiàn)顯示了電場(chǎng)線(xiàn)的分布情況．打開(kāi)輝光球的開(kāi)關(guān)，便可見(jiàn)一條條明亮的光線(xiàn)在電極附近游動(dòng)，立體地展示了點(diǎn)電荷電場(chǎng)的分布情況．

將兩個(gè)相同的輝光球相互靠近，由于二者輸入的是同一電源，且將其轉(zhuǎn)化為高頻高壓的驅(qū)動(dòng)電路相同，因此兩輝光球電極的極性變化是同步的，可看做是完全相同的兩個(gè)點(diǎn)電荷．仔細(xì)觀察，可以發(fā)現(xiàn)兩個(gè)輝光球光線(xiàn)的分布不再成球?qū)ΨQ(chēng)，兩電極連線(xiàn)的中點(diǎn)O附近光線(xiàn)稀疏，形象地展現(xiàn)了同種電荷的電場(chǎng)線(xiàn)分布情況．將這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)先后在課堂上演示，可以幫助空間想象能力弱的學(xué)生建立立體的電場(chǎng)線(xiàn)分布模型．

3.2 演示靜電感應(yīng)現(xiàn)象

實(shí)驗(yàn)器材：鋁罐，輝光球.

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：將鋁罐罩在輝光球上，打開(kāi)輝光球的電源開(kāi)關(guān)，用手觸摸鋁罐表面，則手指會(huì)有觸電的感覺(jué)(圖3)．

根據(jù)功能需求分析，基于移動(dòng)終端的頂崗實(shí)習(xí)管理系統(tǒng)需要設(shè)置基本信息管理、公共文件管理、動(dòng)態(tài)監(jiān)控管理、在線(xiàn)指導(dǎo)、考核評(píng)價(jià)五大功能模塊。

圖3 靜電感應(yīng)實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)原理：輝光球電極產(chǎn)生的強(qiáng)電場(chǎng)，會(huì)使鋁罐發(fā)生靜電感應(yīng)，出現(xiàn)宏觀帶電的現(xiàn)象．靜電感應(yīng)對(duì)中學(xué)生來(lái)說(shuō)比較抽象，因此將這個(gè)實(shí)驗(yàn)作為課堂演示實(shí)驗(yàn)，會(huì)增加學(xué)生的感性認(rèn)識(shí)，加深其理解．

3.3 演示靜電屏蔽現(xiàn)象

實(shí)驗(yàn)器材：輝光球，日光燈，金屬籠，接地導(dǎo)線(xiàn).

操作步驟及實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：如圖4(a)所示,打開(kāi)輝光球開(kāi)關(guān)，手持日光燈的一端，將另一端靠近輝光球，日光燈亮了．如圖4(b)所示,將接地金屬籠罩在輝光球上，重復(fù)以上操作，日光燈沒(méi)有發(fā)光．

圖4 用日光燈和輝光球演示靜電屏蔽現(xiàn)象

實(shí)驗(yàn)原理：這是因?yàn)閷⑷展鉄糁糜谳x光球產(chǎn)生的強(qiáng)電場(chǎng)中時(shí)，燈管兩端有電勢(shì)差，使管內(nèi)的汞氣體分子被激發(fā)，輻射出紫外線(xiàn)．紫外線(xiàn)作用在管壁的熒光粉上使其發(fā)出可見(jiàn)光．將接地金屬籠罩在輝光球上，屏蔽了輝光球產(chǎn)生的電場(chǎng)，因此日光燈不發(fā)光．這個(gè)實(shí)驗(yàn)相較于其他靜電屏蔽的演示實(shí)驗(yàn)，步驟簡(jiǎn)單，取材方便且實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更加明顯，能夠讓學(xué)生直觀地感受到金屬籠的靜電屏蔽效果．

3.4 演示交變電場(chǎng)對(duì)電子表計(jì)時(shí)精度的影響

實(shí)驗(yàn)器材：電子表，輝光球.

操作步驟及現(xiàn)象：打開(kāi)輝光球開(kāi)關(guān)，記錄下電子表顯示的時(shí)間以后放在輝光球的玻璃球殼上(圖5)，待2～4 min后取下，可發(fā)現(xiàn)電子表顯示的時(shí)間大幅度改變．

圖5 輝光球?qū)﹄娮颖碛?jì)時(shí)精度的影響

實(shí)驗(yàn)原理：電子表內(nèi)部有一個(gè)震蕩頻率十分穩(wěn)定的石英水晶振子．石英振子由門(mén)電路產(chǎn)生一個(gè)通常是32.768 kHz的穩(wěn)定震蕩頻率，再經(jīng)過(guò)電子分頻器的15次分頻后，得到秒脈沖．秒脈沖送到步進(jìn)電機(jī)，每秒鐘推動(dòng)步進(jìn)電機(jī)一次，從而達(dá)到計(jì)時(shí)功能．因此電子表的計(jì)時(shí)精度主要取決于石英晶體的振蕩頻率．石英晶片之所以能構(gòu)成振蕩電路(諧振)是基于它的壓電效應(yīng)[7]．若在其晶片的兩個(gè)極板間加一電場(chǎng)，會(huì)使晶片發(fā)生形變；反之，若在極板間施加機(jī)械力，又會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的電場(chǎng)，這種現(xiàn)象稱(chēng)為壓電效應(yīng)．如在極板間加上交變電壓，石英水晶振子就會(huì)產(chǎn)生機(jī)械變形振動(dòng)，同時(shí)機(jī)械變形振動(dòng)又會(huì)產(chǎn)生交變電場(chǎng)．這種機(jī)械振動(dòng)的特點(diǎn)是頻率穩(wěn)定度很高，精度不易改變．將電子表置于外加交變電場(chǎng)中時(shí)，外加電場(chǎng)會(huì)使石英晶體的震蕩頻率發(fā)生改變，從而使電子表的計(jì)時(shí)出現(xiàn)偏差．

3.5 證明原子軌道量子化

實(shí)驗(yàn)原理：輝光球的彩色光束是怎樣形成的呢？輝光球產(chǎn)生的電場(chǎng)在短時(shí)間內(nèi)可近似看成是一個(gè)點(diǎn)電荷產(chǎn)生的電場(chǎng)．因此在電極某一位置r處

公式U=Ed雖然只適用于勻強(qiáng)電場(chǎng)，但也可以用于點(diǎn)電荷產(chǎn)生的電場(chǎng)做定性分析．球體內(nèi)氣體的密度均勻，每次碰撞帶電粒子的加速距離Δr相等，則碰撞所傳遞的能量為

由公式可以看出，每次碰撞之間帶電粒子在電場(chǎng)中加速所獲得的能量隨半徑r的增大而減?。热患铀偎@得的能量依次遞減，而兩次加速的距離又比較短，肉眼幾乎觀察不到，為什么原子吸收能量后輻射出顏色卻在很長(zhǎng)一段距離里面保持恒定？這要從能級(jí)分立的角度進(jìn)行解釋?zhuān)拥哪芗?jí)不是連續(xù)的，而是一個(gè)個(gè)分立的值，因此能級(jí)間躍遷所吸收或釋放出的能量也是分立的．經(jīng)電場(chǎng)加速后的帶電粒子與中性分子碰撞，使其處于激發(fā)態(tài)，接著中性分子以輻射光子的形式釋放能量，產(chǎn)生了肉眼可見(jiàn)的輝光．輻射光子的頻率不同，光線(xiàn)的顏色也不一樣．設(shè)兩個(gè)相鄰能級(jí)為E1和E2(E2>E1)，原子從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)E1和E2所需的能量分別為

當(dāng)r2r1或r

4 教學(xué)建議

以上的實(shí)驗(yàn)3.1～3.3現(xiàn)象明顯、原理簡(jiǎn)單且趣味性強(qiáng)，可以用做中學(xué)物理中電學(xué)部分內(nèi)容的課堂演示實(shí)驗(yàn)；實(shí)驗(yàn)3.4和3.5原理較為復(fù)雜，實(shí)驗(yàn)3.4建議在講授電子表工作原理的時(shí)候進(jìn)行演示，實(shí)驗(yàn)3.5對(duì)應(yīng)的是大學(xué)的原子物理知識(shí)，建議在講到能級(jí)躍遷、原子軌道量子化等知識(shí)的時(shí)候演示．

大學(xué)課堂里面的演示實(shí)驗(yàn)并不多見(jiàn)，將以上兩個(gè)實(shí)驗(yàn)在課堂上進(jìn)行展示，會(huì)大大提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，增加他們學(xué)習(xí)的趣味性，不失為大學(xué)課堂中的一抹亮色．