輝光球的發(fā)光原理及在物理教學中的應用

孫佩雄 蔣甜甜

(天津師范大學 天津 300387)

輝光球作為一種具有娛樂性的電子科技產品，近年來不僅被科技館、學校作為實驗演示器材，更是在各類商業(yè)活動、酒吧、餐廳中頻繁出現(xiàn)．對其原理進行研究后，不難發(fā)現(xiàn)，高中物理中電學部分以及原子結構部分的相關知識在輝光球實驗中都得到了充分的應用和驗證．因此，將輝光球實驗應用到教學中，可以使學生將所學的知識與實驗現(xiàn)象結合起來，在激發(fā)學生學習熱情的同時，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度的透明玻璃制成，球體中心為一個黑色電極，電極內由金屬絲彎繞后填充，底座內安裝有振蕩電路板．將輝光球通電時，球體內部會出現(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 輝光球內電子受力情況

輝光球內的氣體一般為惰性氣體，這是由于單原子氣體的動能完全表現(xiàn)在平移的運動上，可以在碰撞中有效地將能量轉移給被激發(fā)的原子．本次實驗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呈紫色，外側呈紅色．因為隨著半徑的增大，電場逐漸減弱，游離電子所受到的電場力也隨之減小，假設球體內部的氣體密度是均勻的，加速距離不變，其積累的能量就會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>E外

則

W內層光子>W外層光子

當然，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行實驗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，還要注意球內氣體的密度，通常將其控制在10-4～10-1atm的低氣壓．密度過高，會限制游離態(tài)電子的加速距離，進而導致其不能積累足夠的動能，由動能定理可知

ΔEk=ΔWe=FeΔr

光子能量

W光子=hν

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

2 人手觸摸輝光球時的現(xiàn)象分析

當人用手觸摸光輝球表面時，可以觀察到輝光被手吸引的神奇現(xiàn)象，如圖3所示．輝光球內部的光芒說明內部的氣體已經導通，其外殼的電勢雖然遠小于中心的電極，但是仍然高于地面電勢．當人手觸摸光球表面時，人體上從手到腳就產生了明顯的電勢差，又因為人體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玻璃傳至手上，再經人體傳至地面．

圖3 人手觸摸輝光球時的現(xiàn)象

人手觸摸球體表面時，人體存在電勢差，也有電流通過，此時電勢差雖然較大，但人體并沒有觸電的感覺，這表示傳入人體的電勢能很少，根據公式

W=Uq

推導出流入人體的電荷量很少，流經人體的電流也很小．說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 利用輝光球點燈的實驗

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較低處向電勢較高處運動．運動的過程中與管內氬氣分子碰撞，使其迅速電離．氬氣電離產生的熱量使液態(tài)水銀變成蒸氣，隨即水銀蒸氣也被電離，發(fā)出強烈的紫外線．在紫外線的作用下，燈管內壁的熒光粉發(fā)出白色的可見光．

3.2 輝光球點燈

用日光燈管的一端接觸輝光球，可以觀察到燈管被點亮了，如圖4所示；將日光燈管離開輝光球，在距離球體2 cm的范圍內，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，燈管產生了極高的電勢差，導致了燈管內氣體被激發(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)出白色可見光．日光燈管不接觸輝光球時，燈管的電勢差雖然會降低，但是燈管仍可被點亮，說明該電勢差足以使管內氣體電離．這一原理與輝光球發(fā)光的原理相似．

圖4 輝光球點燈

若想使被輝光球點亮的日光燈熄滅，關鍵在于降低燈管兩端的電勢差，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，此時燈管兩端均與輝光球表面的電勢相等，電勢差為零，燈管不再發(fā)光．

利用輝光球還可以間接點燈，第一個人用一只手接觸輝光球，另一只手握住燈管一端，第二個人用一只手握住燈管的另一端．由于電流經過人體后，電勢差已有明顯下降，無法使燈管發(fā)光．想要使燈管被點亮，第一種途徑是，在無法提高電勢差的情況下，提高電場，根據公式

可知，縮短兩人手握燈管的距離可以有效地提高管內的電場，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的電勢差，讓提供高電勢者(觸摸輝光球的人)鞋底絕緣或騰空，也可使燈管被點亮．

4 輝光球實驗在高中物理教學中的應用

在人教版高中物理教材中，有兩部分知識與輝光球實驗有著密切的聯(lián)系．一部分是《物理·選修3-1》第一章“靜電場”；另一部分是《物理·選修3-5》第十八章“電子結構”．

在電學部分的教學中，可以利用輝光球的系列實驗來增強學生對電勢、電勢差(電壓)等知識的理解．尤其是間接點燈的實驗，在強調電勢差的同時，還將電勢差、電場及距離3個物理量有機地結合在一起，通過實例，使學生對這一部分的知識形成整體的把握．同時，這一系列的實驗也對高中物理中“產生電流需要有閉合回路”這一知識點提出挑戰(zhàn)，實際上此實驗中“閉合回路”并非產生電流的必要條件，而關鍵在于“電勢差”和“電場”．

在原子部分的教學中，利用輝光球的實驗為學生講解電離、軌道量子化以及能級躍遷等知識，可以使抽象的知識具體化，有助于學生的理解．同時，原子結構的相關知識比較枯燥，利用輝光球實驗進行教學可以增強學生學習的興趣，從而使學生更好地掌握知識．

最后，教師還可以利用點燈實驗為學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，是因為白熾燈發(fā)光與否取決于燈絲的溫度，屬于熱光源．白熾燈發(fā)光時燈絲的電阻將電能轉化為熱能，且產生的熱能功率需大于燈絲散熱速率，才能使燈絲溫度上升，約達到500 ℃以上時才可以發(fā)出可見光．

參考文獻

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3 熊舉峰，譚紅明．輝光球的教學演示設計．湖南中學物理，2009(7)：42～43

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