賀盼盼 沈宏君

摘 ?要 在新課標(biāo)指導(dǎo)下，越來越多的物理教師意識(shí)到給學(xué)生引入課本以外的物理知識(shí)和實(shí)驗(yàn)是十分重要的：一是可以讓學(xué)生了解課本以外的物理世界;二是可以讓學(xué)生了解物理的廣泛應(yīng)用并激發(fā)學(xué)習(xí)興趣。介紹制作的簡(jiǎn)易特斯拉線圈點(diǎn)亮節(jié)能燈的實(shí)驗(yàn)及其原理，并探討其在中學(xué)物理教學(xué)中的應(yīng)用，希望能通過此類研究給廣大物理教師一些參考和啟示。

關(guān)鍵詞 特斯拉線圈;中學(xué)物理;實(shí)驗(yàn)

中圖分類號(hào)：G633.7 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2019）13-0124-03

1 前言

尼古拉·特斯拉是世界知名的美籍塞爾維亞裔發(fā)明家、物理學(xué)家、電機(jī)和機(jī)械工程師，他對(duì)當(dāng)今諸多理論和技術(shù)有著卓越的貢獻(xiàn)，如電力傳輸、理論物理、無線電通信等。另外，他的大部分發(fā)明仍在當(dāng)今世界有著重要應(yīng)用，如交流電發(fā)電機(jī)、輻射能量接收器、特斯拉變壓器等。他推廣了交流電并以此贏得“電流之戰(zhàn)”的勝利，讓交流電得到廣泛應(yīng)用。1889年，他發(fā)明了無線傳電的方法，特斯拉線圈應(yīng)運(yùn)而生。為了紀(jì)念他，磁感應(yīng)強(qiáng)度的單位以他的名字命名，這肯定了他在電磁學(xué)方面的卓越貢獻(xiàn)。

2 簡(jiǎn)易特斯拉線圈的電路設(shè)計(jì)

簡(jiǎn)易特斯拉線圈的基本電路由一個(gè)9 V電池、22 kΩ電阻、2N2222A三極管、手工繞制的次級(jí)線圈和初級(jí)線圈組成，其電路圖如圖1所示。在制作簡(jiǎn)易特斯拉線圈的過程中，成功的案例如圖2所示，節(jié)能燈被點(diǎn)亮;也有失敗的案例，如圖3所示，節(jié)能燈不亮。分析整個(gè)電路得知，電路連接正確，是由于纏繞的次級(jí)線圈的匝數(shù)不夠造成的。因此，在增加次級(jí)線圈匝數(shù)以及PVC管的直徑后，接通電路就可以無線點(diǎn)亮節(jié)能燈，但此實(shí)驗(yàn)仍存在缺陷，就是耗能太快。

3 特斯拉線圈的工作原理及用途

特斯拉線圈的工作原理

1）火花間隙特斯拉線圈的工作原理。火花間隙特斯拉線圈相對(duì)于其他傳統(tǒng)的特斯拉線圈構(gòu)造和原理較為簡(jiǎn)單。它的原理是用變壓器使普通電壓升壓，然后經(jīng)由兩極線圈，從放電終端放電的設(shè)備[1]。分析圖4可知，首先，電源對(duì)電路輸入交流電，接著經(jīng)過變壓器升壓至2000 V以上，然后經(jīng)由四個(gè)高壓二極管組成的全波整流橋，目的是將升壓后的交流電轉(zhuǎn)換成單一方向的電流給主電容C1充電，當(dāng)主電容的電壓超過打火器間隙的閾值，就會(huì)擊穿打火器間隙的空氣，從而接通電路，這時(shí)主電容C1和初級(jí)線圈L1就構(gòu)成一個(gè)LC振蕩回路儲(chǔ)存能量，并可以通過耦合傳遞到次級(jí)線圈L2。放電頂端和地面形成的一個(gè)對(duì)地等效電容C2和次級(jí)線圈L2也會(huì)形成一個(gè)LC振蕩回路。當(dāng)初級(jí)回路和次級(jí)回路的LC振蕩頻率相等時(shí)，在打火器打通的時(shí)候，初級(jí)回路的能量會(huì)涌到次級(jí)，放電端的電壓峰值會(huì)不斷增加，直到放電[2]。

2）簡(jiǎn)易特斯拉線圈的工作原理。簡(jiǎn)易的特斯拉線圈不同于火花間隙特斯拉線圈用兩個(gè)LC電路并通過線圈耦合傳遞能量，而是利用三極管并通過線圈傳遞能量。從圖1可知，首先，簡(jiǎn)易特斯拉線圈選用的是普通的9 V電池為電源，開關(guān)閉合時(shí)，電流通過電阻和三極管的串聯(lián)電路輸送至初級(jí)線圈。其中，三極管是一個(gè)放大電流的器件，但和電阻串聯(lián)就可以放大電路的電壓，所以初級(jí)線圈的電壓增大，就可以產(chǎn)生更多的能量。然后通過線圈的耦合作用，將能量傳遞給次級(jí)線圈，當(dāng)次級(jí)線圈能量達(dá)到一定程度，就會(huì)通過放電頂端放電。最后將節(jié)能燈靠近接通的特斯拉線圈，就可以看到燈亮了，如圖2所示。這是由于能量被傳輸?shù)酱渭?jí)線圈后，次級(jí)線圈可以產(chǎn)生電場(chǎng)，使得燈管內(nèi)的氬氣及水銀蒸汽被電場(chǎng)電離，從而使節(jié)能燈在不接電源的情況下實(shí)現(xiàn)無線點(diǎn)亮。

特斯拉線圈的用途 ?特斯拉線圈用途比較廣泛，多用于電子產(chǎn)業(yè)，如利用特斯拉線圈對(duì)手機(jī)無線充電;也用于電動(dòng)汽車的研發(fā)，如美國(guó)特斯拉公司生產(chǎn)的特斯拉汽車;還可以用于游戲或藝術(shù)方面，如利用特斯拉線圈制造閃電。它最有意義的用途是可以實(shí)現(xiàn)電能的無線傳輸，如這里介紹的簡(jiǎn)易特斯拉線圈無線點(diǎn)亮節(jié)能燈的實(shí)驗(yàn)，并且此方式輸電效率高、自損耗低。但是在實(shí)際應(yīng)用中還有很多困難有待突破，目前還無法將其應(yīng)用到實(shí)際生活中輸送電能。此處介紹的簡(jiǎn)易特斯拉線圈功率比較小，因此只能點(diǎn)燃短距離的節(jié)能燈。另外，將此實(shí)驗(yàn)引入中學(xué)物理課堂，其簡(jiǎn)單易操作，危險(xiǎn)系數(shù)低，又能很好地調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和積極性。

4 簡(jiǎn)易的特斯拉線圈在中學(xué)物理教學(xué)中的應(yīng)用

課中探究 ?物理學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)和觀察為基礎(chǔ)的學(xué)科，既重視對(duì)學(xué)生物理知識(shí)的傳授，也重視對(duì)學(xué)生動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。人教版高中物理教材中有許多學(xué)生必須做的實(shí)驗(yàn)，如用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器研究勻變速直線運(yùn)動(dòng)、測(cè)定電池的電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻等。這些實(shí)驗(yàn)在教材中都給出了原理、步驟、研究方法等，學(xué)生只需要參照教材即可完成實(shí)驗(yàn)，但是這不能讓學(xué)生完全經(jīng)歷科學(xué)探究的全過程。因此，教師可以適當(dāng)引入課本以外的新穎實(shí)驗(yàn)，不僅可以吸引學(xué)生主動(dòng)去探究，還可以鍛煉學(xué)生的推理能力、分析問題和解決問題的能力，讓學(xué)生經(jīng)歷科學(xué)探究的全過程。

表1是簡(jiǎn)易特斯拉線圈點(diǎn)亮節(jié)能燈實(shí)驗(yàn)的課堂教學(xué)設(shè)計(jì)，雖然該實(shí)驗(yàn)不是課本中的實(shí)驗(yàn)，也不是學(xué)生必須掌握的內(nèi)容，但是對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力和提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣可以起到一定的幫助作用。

課后延伸 ?新課標(biāo)要求學(xué)生具有學(xué)習(xí)和研究物理的好奇心與求知欲，關(guān)心國(guó)內(nèi)外科技發(fā)展的現(xiàn)狀與趨勢(shì)，了解物理研究和物理成果的應(yīng)用[3]。這就要求物理教師在教學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)注重融入理論和實(shí)踐的新成果，并將其放入課堂中以求激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣和培養(yǎng)學(xué)生科技探索的精神，為學(xué)生的終身發(fā)展奠定基礎(chǔ)。另外，特斯拉線圈最有前景的用途是實(shí)現(xiàn)電能的無線傳輸，這對(duì)未來電能的傳輸有著重要的意義。因此，簡(jiǎn)易特斯拉線圈點(diǎn)亮節(jié)能燈的小實(shí)驗(yàn)可以放在“電能的輸送”這節(jié)課中作為課后延伸的一部分，讓學(xué)生了解特斯拉線圈的應(yīng)用以及輸送電能的新方式。

“電能的輸送”一課的知識(shí)點(diǎn)如圖5所示。在課堂上，教師可以先結(jié)合我國(guó)輸電工程講解利用輸電線輸送電能時(shí)如何降低損耗以及遠(yuǎn)距離輸電原理;接著可以結(jié)合課本中的“科學(xué)漫步”欄目介紹輸電新技術(shù)，如直流輸電、超導(dǎo)電纜輸電等已經(jīng)運(yùn)用的技術(shù);然后讓學(xué)生思考除了課本上介紹的輸電技術(shù)還有沒有其他的，引導(dǎo)學(xué)生猜想無線輸電;再然后展示簡(jiǎn)易的特斯拉線圈點(diǎn)亮節(jié)能燈泡的實(shí)驗(yàn)，證明電能可以實(shí)現(xiàn)無線傳輸;最后簡(jiǎn)要介紹特斯拉線圈的一些歷史以及說明無線傳輸電能仍存在一些困難和阻礙，并鼓勵(lì)學(xué)生未來可以積極探索輸電新技術(shù)。這樣通過簡(jiǎn)易的實(shí)驗(yàn)，不僅可以將物理研究成果融入課堂，還可以激發(fā)學(xué)生研究物理學(xué)的好奇心和調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。

課外實(shí)驗(yàn) ?現(xiàn)在，許多中學(xué)都會(huì)成立課外興趣小組，目的是豐富學(xué)生的課余生活，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，啟發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造思維。因此，建立物理實(shí)驗(yàn)興趣小組也是有必要的，這樣可以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力以及創(chuàng)造能力。物理實(shí)驗(yàn)興趣小組選擇的最好是課本以外的、易操作的、實(shí)驗(yàn)材料易得的以及和社會(huì)科技發(fā)展有聯(lián)系的實(shí)驗(yàn)，如水火箭。

當(dāng)然，簡(jiǎn)易特斯拉線圈點(diǎn)亮節(jié)能燈這個(gè)實(shí)驗(yàn)材料簡(jiǎn)單、易操作，還和電能輸送有著密切的聯(lián)系，因此將其放入課外學(xué)生興趣小組實(shí)驗(yàn)是完全可以的。在課外實(shí)驗(yàn)時(shí)，教師可以給學(xué)生準(zhǔn)備好材料，讓學(xué)生自己探究琢磨，并適當(dāng)給予指導(dǎo)，在完成簡(jiǎn)易特斯拉線圈的基礎(chǔ)上，還要讓學(xué)生思考影響因素以及改進(jìn)實(shí)驗(yàn);還可以將他們的成果展示給全校學(xué)生，不僅可以吸引更多的學(xué)生參與興趣小組，而且可以提高學(xué)生的榮譽(yù)感，讓學(xué)生對(duì)物理產(chǎn)生探索興趣，進(jìn)一步研究其他實(shí)驗(yàn)，而不限于此類實(shí)驗(yàn)。

5 結(jié)語(yǔ)

尼古拉·特斯拉對(duì)當(dāng)今世界有著巨大貢獻(xiàn)，他發(fā)明的特斯拉線圈也有著重要的作用，簡(jiǎn)易特斯拉線圈點(diǎn)亮節(jié)能燈就可以很好地體現(xiàn)這一點(diǎn)。將像簡(jiǎn)易特斯拉線圈點(diǎn)亮節(jié)能燈這樣的課外實(shí)驗(yàn)放入中學(xué)物理教學(xué)中是完全可以的，無論是放在課前引入、課后興趣實(shí)驗(yàn)，還是作為一堂實(shí)驗(yàn)課講解，都能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、了解物理學(xué)史的興趣，以及為自身終身發(fā)展做準(zhǔn)備。

參考文獻(xiàn)

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[3]中華人民共和國(guó)教育部.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018.