輝光球的發(fā)光原理及在物理教學(xué)中的應(yīng)用

孫佩雄 蔣甜甜

(天津師范大學(xué) 天津 300387)

輝光球作為一種具有娛樂(lè)性的電子科技產(chǎn)品，近年來(lái)不僅被科技館、學(xué)校作為實(shí)驗(yàn)演示器材，更是在各類商業(yè)活動(dòng)、酒吧、餐廳中頻繁出現(xiàn)．對(duì)其原理進(jìn)行研究后，不難發(fā)現(xiàn)，高中物理中電學(xué)部分以及原子結(jié)構(gòu)部分的相關(guān)知識(shí)在輝光球?qū)嶒?yàn)中都得到了充分的應(yīng)用和驗(yàn)證．因此，將輝光球?qū)嶒?yàn)應(yīng)用到教學(xué)中，可以使學(xué)生將所學(xué)的知識(shí)與實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象結(jié)合起來(lái)，在激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情的同時(shí)，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(qiáng)度的透明玻璃制成，球體中心為一個(gè)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(shí)，球體內(nèi)部會(huì)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(dòng)能完全表現(xiàn)在平移的運(yùn)動(dòng)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(shí)驗(yàn)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?yàn)殡S著半徑的增大，電場(chǎng)逐漸減弱，游離電子所受到的電場(chǎng)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(huì)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(dāng)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(jìn)行實(shí)驗(yàn)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(guò)高，會(huì)限制游離態(tài)電子的加速距離，進(jìn)而導(dǎo)致其不能積累足夠的動(dòng)能，由動(dòng)能定理可知

ΔEk=ΔWe=FeΔr

光子能量

W光子=hν

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

2 人手觸摸輝光球時(shí)的現(xiàn)象分析

當(dāng)人用手觸摸光輝球表面時(shí)，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(shuō)明內(nèi)部的氣體已經(jīng)導(dǎo)通，其外殼的電勢(shì)雖然遠(yuǎn)小于中心的電極，但是仍然高于地面電勢(shì)．當(dāng)人手觸摸光球表面時(shí)，人體上從手到腳就產(chǎn)生了明顯的電勢(shì)差，又因?yàn)槿梭w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(guò)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(shí)的現(xiàn)象

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

W=Uq

推導(dǎo)出流入人體的電荷量很少，流經(jīng)人體的電流也很?。f(shuō)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(diǎn)燈的實(shí)驗(yàn)

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(huì)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(shì)較低處向電勢(shì)較高處運(yùn)動(dòng)．運(yùn)動(dòng)的過(guò)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(qiáng)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(jiàn)光．

3.2 輝光球點(diǎn)燈

用日光燈管的一端接觸輝光球，可以觀察到燈管被點(diǎn)亮了，如圖4所示；將日光燈管離開(kāi)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(shí)，燈管產(chǎn)生了極高的電勢(shì)差，導(dǎo)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(jiàn)光．日光燈管不接觸輝光球時(shí)，燈管的電勢(shì)差雖然會(huì)降低，但是燈管仍可被點(diǎn)亮，說(shuō)明該電勢(shì)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(diǎn)燈

若想使被輝光球點(diǎn)亮的日光燈熄滅，關(guān)鍵在于降低燈管兩端的電勢(shì)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(shí)燈管兩端均與輝光球表面的電勢(shì)相等，電勢(shì)差為零，燈管不再發(fā)光．

利用輝光球還可以間接點(diǎn)燈，第一個(gè)人用一只手接觸輝光球，另一只手握住燈管一端，第二個(gè)人用一只手握住燈管的另一端．由于電流經(jīng)過(guò)人體后，電勢(shì)差已有明顯下降，無(wú)法使燈管發(fā)光．想要使燈管被點(diǎn)亮，第一種途徑是，在無(wú)法提高電勢(shì)差的情況下，提高電場(chǎng)，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(chǎng)，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(shì)差，讓提供高電勢(shì)者(觸摸輝光球的人)鞋底絕緣或騰空，也可使燈管被點(diǎn)亮．

4 輝光球?qū)嶒?yàn)在高中物理教學(xué)中的應(yīng)用

在人教版高中物理教材中，有兩部分知識(shí)與輝光球?qū)嶒?yàn)有著密切的聯(lián)系．一部分是《物理·選修3-1》第一章“靜電場(chǎng)”；另一部分是《物理·選修3-5》第十八章“電子結(jié)構(gòu)”．

在電學(xué)部分的教學(xué)中，可以利用輝光球的系列實(shí)驗(yàn)來(lái)增強(qiáng)學(xué)生對(duì)電勢(shì)、電勢(shì)差(電壓)等知識(shí)的理解．尤其是間接點(diǎn)燈的實(shí)驗(yàn)，在強(qiáng)調(diào)電勢(shì)差的同時(shí)，還將電勢(shì)差、電場(chǎng)及距離3個(gè)物理量有機(jī)地結(jié)合在一起，通過(guò)實(shí)例，使學(xué)生對(duì)這一部分的知識(shí)形成整體的把握．同時(shí)，這一系列的實(shí)驗(yàn)也對(duì)高中物理中“產(chǎn)生電流需要有閉合回路”這一知識(shí)點(diǎn)提出挑戰(zhàn)，實(shí)際上此實(shí)驗(yàn)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(shì)差”和“電場(chǎng)”．

在原子部分的教學(xué)中，利用輝光球的實(shí)驗(yàn)為學(xué)生講解電離、軌道量子化以及能級(jí)躍遷等知識(shí)，可以使抽象的知識(shí)具體化，有助于學(xué)生的理解．同時(shí)，原子結(jié)構(gòu)的相關(guān)知識(shí)比較枯燥，利用輝光球?qū)嶒?yàn)進(jìn)行教學(xué)可以增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，從而使學(xué)生更好地掌握知識(shí)．

最后，教師還可以利用點(diǎn)燈實(shí)驗(yàn)為學(xué)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?yàn)榘谉霟舭l(fā)光與否取決于燈絲的溫度，屬于熱光源．白熾燈發(fā)光時(shí)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(dá)到500 ℃以上時(shí)才可以發(fā)出可見(jiàn)光．

參考文獻(xiàn)

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