節日彩燈探究實驗

張玉成 呂志華

（滕州市第一中學 山東 滕州 277500）

喜慶的節日離不開五光十色的彩燈點綴．筆者在講授“串聯電路和并聯電路”中適當地為學生提供智趣相融、富有思考價值的“節日彩燈”問題，作為鏈接課堂內外的紐帶，引導學生的思維向縱深發展．

1 問題與觀察

（1）彩燈是由一定數量的小彩燈串聯而成，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發光嗎？觀察演示，看到的現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 現象與解釋

（1）小彩燈之間通過串聯而成，因此取走一個彩燈會使電路發生斷路而導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發光，并且會比原來更亮，其中的奧妙源自小彩燈的特殊構造．圖2所示是一款規格為“2．5 V，0．25 A”小彩燈的“解剖圖”，在燈絲導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通．如圖3所示，通過串聯一定數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，細金屬絲與燈絲導電支架導通，此時這個燈只相當于一段導線起到連接作用，這樣其他小彩燈就能繼續工作，這就是串聯的小彩燈為什么其中有的燈絲熔斷了其他的還能繼續工作的原因．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，燈絲發熱、發光，右側的雙金屬片受熱膨脹向右彎曲，如圖1所示，使電路斷開，整串彩燈都不發光．斷電后，右側雙金屬片受冷收縮后又向左側彎曲，使電路變成通路，整串彩燈發光，就這樣雙金屬片受熱彎曲使彩燈熄滅，受冷后向左側彎曲使電路接通．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，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，根據焦耳定律燈絲產生的熱量增大，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不僅要培養學生實際操作技能的手段，更重要的還是培養學生的發散思維，開發學生認知能力的方法．小彩燈出現在中學物理教科書中，不能只把它當成一個產品介紹，要把著眼點放在小彩燈工作的探究過程上．通過學生展示論證的思維過程，體驗發現的樂趣，形成將科學技術與日常生活、社會實踐相結合的意識．