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有关电学教学的“胡言乱语”——丝细壁黑灯光暗

白炽灯发光靠的是灯泡里的灯丝。灯丝是由钨制成的,它的熔点是3410℃。当白炽灯通电后,螺旋状灯丝的温度可以超过2000℃,达到白炽化状态,灯泡就发出了光。所以,我们说,白炽灯是利用电流的热效应来工作的。白炽灯工作时,把电能转化为光能。家庭常用白炽电灯的发光效率在10%左右,平均寿命约为1000h。

一只白炽灯,接在家庭电路中,工作一段时间后,发出灯光的亮度要比原来暗一些。这是为什么?

很多人认为,白炽灯在工作一段时间后,由于做成灯丝的金属钨在高温下升华,灯丝变细了,而灯丝的长度是不变的,所以灯丝的电阻就变小了。接在家庭电路中的白炽灯,它两端的电压是不变的,由电功率公式P=U2/R可知,灯丝的实际功率变小,灯泡的亮度变暗。

这种看法是正确的。但白炽灯的灯丝变细,只是灯泡发光亮度变暗的一个原因。白炽灯的灯泡壁变黑,是灯泡发光亮度变暗的另一个原因。

白炽灯灯丝的钨在高温下升华时,极少的一部分固态钨变成气态的钨,充斥在灯泡内。其中,一部分气态的钨,在温度稍低的灯泡壁上发生凝华,变成固态的钨附着在灯泡壁上。由于金属钨是黑色的,这些附着在灯泡壁上的黑色的钨,就使灯泡壁的透光性变差,灯丝发出的光由灯泡壁射出时,也就变暗了。

综合以上分析,我们认为,白炽灯工作一段时间后,发出的灯光比原来暗的的原因是:灯泡的灯丝变细,灯泡的实际功率变小;灯泡壁的透光性变差。在这两个影响因素中,刚开始使用灯泡时,“灯丝变细,灯泡的实际功率变小”,是白炽灯的灯光变暗的主要原因。随着灯泡使用时间的增长,“灯泡壁的透光性变差”,则成了白炽灯发光变暗的主要原因。

以上分析过程中,涉及到两个问题,一是白炽灯的亮度,是由它的实际电功率决定的;二是白炽灯的电功率用P=U2/R来计算。

关于第一个问题,最近一段时间,是昆明市初中物理学界讨论的一个热门话题。原因是,昆明市2015年初中物理课堂教学比赛中,竞赛的课题中有“电功”和“电功率”。 2015年12月10日,在昆明市第十中学(白塔校区)举行的市级公开课上,昆明市第十中学的张老师授课的题目也是“电功”。不论是“电功”的课堂教学,或是“电功率”的课堂教学,授课老师均涉及到了这个问题,而大家对这一问题的看法不一致。

昆明市教科院给出的的结果是,白炽灯泡的亮度不是由它的实际电功率决定的。并且还举出了如下的实例:20W的节能灯和20W的白炽灯,都接在220V的家庭电路中,20W的节能灯要比20W的白炽灯亮得多。

对此结果,我不敢苟同。

诚然,影响白炽灯泡亮度的因素不止一个,灯泡的实际电功率只是影响灯泡亮度的一个因素。但是,白炽灯泡的实际功率是影响灯泡亮度的一个极为重要的因素。所以,从某种意义上说,白炽灯的亮度决定于它的实际电功率。因此,在初中阶段的物理教学中,我们可以认为,白炽灯的亮度决定于它的实际电功率。在实验中,我们可以用白炽灯泡的亮度,显示白炽灯泡的电功率的大小。一些教科书,比如人教版的教科书,就是这样的。

至于用20W的节能灯正常发光的亮度和20W的白炽灯正常发光的亮度相比,我认为是犯了一个不应该的错误:采取不同的标准进行比较。20W的节能灯和20W的白炽灯是不同种类的灯泡,它们的发光原理是不一样的。

初中物理教学中,之所以可以认为白炽灯的亮度决定于它的实际电功率,一是初中物理实验中使用的小灯泡是白炽灯泡,讨论有关问题时基本上只涉及白炽灯;二是在日常生活中,人们大多还在使用白炽灯,在不违反知识科学性的同时,可以解释实际生活中的有关现象;三是利于纠正学生头脑中存在的“白炽灯的亮度决定于它两端的电压或通过它的电流”的错误认识。

对于第二个问题,也就是用P=U2/R来计算白炽灯电功率的问题。我们知道,P=U2/R是由P=UI和I=U/R得出的,所以P=U2/R的使用条件和I=U/R是一样的,即适用于线性元件,也就是初中物理所说的纯电阻电路。根据实验结果,我们已经知道,白炽灯的电阻要随着灯丝温度的升高而增大。所以,严格来讲,用P=U2/R计算白炽灯的电功率是不合适的。在前面的博文中,已经涉及到这个问题,就是当白炽灯两端的电压变化不大时,I=U/R可以使用,当然,我们也可以使用P=U2/R来讨论相关的问题。

(文章来源于牛云景工作室的博客,如有不妥请联系我们。)

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