節(jié)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(jié)日離不開五光十色的彩燈點綴．筆者在講授“串聯(lián)電路和并聯(lián)電路”中適當?shù)貫閷W生提供智趣相融、富有思考價值的“節(jié)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(fā)展．

1 問題與觀察

（1）彩燈是由一定數(shù)量的小彩燈串聯(lián)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(xù)發(fā)光嗎？觀察演示，看到的現(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)象與解釋

（1）小彩燈之間通過串聯(lián)而成，因此取走一個彩燈會使電路發(fā)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(xù)發(fā)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(guī)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(lián)一定數(shù)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(fā)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(xù)工作，這就是串聯(lián)的小彩燈為什么其中有的燈絲熔斷了其他的還能繼續(xù)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(fā)熱、發(fā)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(fā)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(fā)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(lián)，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(jù)焦耳定律燈絲產(chǎn)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(yǎng)學生實際操作技能的手段，更重要的還是培養(yǎng)學生的發(fā)散思維，開發(fā)學生認知能力的方法．小彩燈出現(xiàn)在中學物理教科書中，不能只把它當成一個產(chǎn)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(fā)現(xiàn)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．