节日彩灯探究实验

张玉成 吕志华

（滕州市第一中学 山东 滕州 277500）

喜庆的节日离不开五光十色的彩灯点缀．笔者在讲授“串联电路和并联电路”中适当地为学生提供智趣相融、富有思考价值的“节日彩灯”问题，作为链接课堂内外的纽带，引导学生的思维向纵深发展．

1 问题与观察

（1）彩灯是由一定数量的小彩灯串联而成，如果取走一个彩灯其余彩灯会闪亮吗？

（2）当其中一个小彩灯的灯丝断裂后，其余的小彩灯还能继续发光吗？观察演示，看到的现象与你的猜想是否一致？

图1

（3）将某个小彩灯替换成“跳泡”（启辉器），如图1所示，观察演示，你能解释看到的现象吗？

（4）闪烁的彩灯熄灭几只后，观察比较其余彩灯的亮度及其闪烁频率的变化，你能解释吗？

2 现象与解释

（1）小彩灯之间通过串联而成，因此取走一个彩灯会使电路发生断路而导致其余彩灯不会闪亮．

图2

（2）当其中一个小彩灯的灯丝断裂后，其余的小彩灯还能继续发光，并且会比原来更亮，其中的奥妙源自小彩灯的特殊构造．图2所示是一款规格为“2．5 V，0．25 A”小彩灯的“解剖图”，在灯丝导电支架上除了有灯丝和起固定作用的小玻璃珠以外，还绕有约4圈细金属丝．灯丝电阻冷时约为2．5Ω，热时约为15Ω．细金属丝的电阻为1 Ω．正常（低压）情况下，由于支架表面有一层氧化铜涂层的缘故，它与灯丝支架是不导通的，没有电流流过．若加上较高的电压（如220 V）时氧化层可被击穿，细金属丝与灯丝支架导通．如图3所示，通过串联一定数量的小彩灯使单个小彩灯两端所加的电压比它的额定电压稍低，从而保证每个小彩灯都能基本正常发光．当某个小彩灯L的灯丝烧毁时，AB间形成断路，220 V电压就直接加到细金属丝与灯丝导电支架AB之间，瞬间击穿那段细金属丝的氧化铜涂层，细金属丝与灯丝导电支架导通，此时这个灯只相当于一段导线起到连接作用，这样其他小彩灯就能继续工作，这就是串联的小彩灯为什么其中有的灯丝熔断了其他的还能继续工作的原因．由于彩灯熔断后击穿金属丝相当于短路，剩余灯泡两端各自分担的电压就多了，所以会比原来更亮．当然烧毁的小彩灯太多时，其余小彩灯也会因为电压过高而全部烧毁．

图3

（3）将某个小彩灯替换成“跳泡”（图1），它会使电路不断通断，使彩灯一会灭一会亮．“跳泡”在常温下中间竖立的双金属片和旁边的倒L形引线接触在一起，电流通过灯丝时，灯丝发热、发光，右侧的双金属片受热膨胀向右弯曲，如图1所示，使电路断开，整串彩灯都不发光．断电后，右侧双金属片受冷收缩后又向左侧弯曲，使电路变成通路，整串彩灯发光，就这样双金属片受热弯曲使彩灯熄灭，受冷后向左侧弯曲使电路接通．这就是同样是装饰小彩灯，为什么有的彩灯能闪烁有的不闪烁的原因了，完全归功于这个与众不同的 “跳泡”．

（4）由于小彩灯的连接方式是串联，其中几个彩灯不亮造成短路后整个电路电阻变小，电流变大，根据焦耳定律灯丝产生的热量增大，可以更快地使双金属片受热弯曲，双金属片受热形变，频率加快导致跳泡通断的频率加快，所以同样闪烁的彩灯灭了几只以后其他彩灯的闪烁反而更快．

新形势下的物理实验教学不仅要培养学生实际操作技能的手段，更重要的还是培养学生的发散思维，开发学生认知能力的方法．小彩灯出现在中学物理教科书中，不能只把它当成一个产品介绍，要把着眼点放在小彩灯工作的探究过程上．通过学生展示论证的思维过程，体验发现的乐趣，形成将科学技术与日常生活、社会实践相结合的意识．