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1、慎用小灯泡北京四中 刘彬生传统的中学物理实验中，常使用钨丝小灯泡做以下用途。例如：最简单的用电器，显示 电流的简单仪器，显示电能转化为内能和光能，简单的电光源等。因为它有以下优点：（1） 工作原理简单易懂。（2）连接和使用方法很简单。（3）可用它的发光来表明电路中有电流通 过。（4）可由其发光亮度定性地显示电路中电流的大小和变化。（5）可在许多实验中作为一 种电功率适当（零点几瓦到十几瓦）的负载。（6）它做实验光源时，其发出的光为连续光谱。 例如观察双缝干涉形成的彩色条纹。（7）它做为景物的照明光源时，具有良好的色彩还原性。现在，由于发光二极管（LED）的诸多优点和成本的不断下降（有的售价低到
2、每只几分 钱），它已经在信号显示和大部分照明等领域全面取代了钨丝灯泡。过去在教学中习惯使用 的小灯泡就成了“稀缺物种”，不仅难买到，而且价格上升（每只几角钱到一元），还不耐用。但是，有些老师却对小灯泡“情有独钟”，觉得只有用它显示电路中的电流才算简单、 直观。于是在实验中出现了许多不当的认识和应用。课本上有些用小灯泡做显示的电学实验 是几十年前设计的，其实是不得已，因那时没有更恰当的仪器。某些实验方法又被习题和考 试题渲染、发挥，反而在许多老师心目中成为了主流，妨碍了正确的认知。本文拟对此进行 一些探讨。01 小灯泡的发光机理和特性小灯泡是一种热发光元件。它具有以下重要特性：（1）电流通过灯丝
3、产生热量的同时也向外散热，只有在达到热平衡时才能保持一定的 温度。对于同一只灯泡，通过的电流越大，电功率越大，单位时间内产生的热量就越多，灯 丝才能达到更高的温度。（2）钨丝达到足够的温度时才能发光。在约800C时开始发出暗红色的光，温度再高 则发光更亮并且颜色趋白，约1800C时达到白炽状态。例如：取一只“ 2.5V0.3A”的小灯泡做实测，得知通过它的电流在0.18A （此时其实际功率在0.17W）以上才能发出可见光。（3）灯丝具有一定的热容。因此要达到并保持足够的温度是需要一段时间的，尽管这可能只有0.1s。我们可以用图1电路做个观察：接通开关的时刻，能看到发光二极管 LED立即发光，而
4、小灯泡则延迟一些才发光。因为LED是一种场致发光器件， P-N 结上建立电场是极快的。而钨丝必须先用少许时间集聚热量升温后才能发光。基于以上特性可知，小灯泡只适宜在它能够发光的条件下由亮度定性地显示稳态电流 的存在与否及其强弱。02 使用小灯泡显示电流的要点与使用电流表、传感器和示波器来观测电流的方法相比，使用小灯泡时要注意以下问题。（1）不同规格的小灯泡中钨丝的粗细和绕制的疏密不同，通过相同的电流时钨丝达到 的温度就会不同，那么亮度也就不同。 因此不能用两个不同规格的小灯泡亮度来比较电流 的大小。（2）不可将小灯泡理想化。实验中小灯泡的接入，必定会使被检测电路的参数和特性 发生变化，并且灯丝
5、的电阻又会随着电流的大小变化，这些往往会产生不利的影响而不能忽 略略。（3）也可用来显示足够缓慢变化的电流，但由于灯丝的热容，会使得显示有些滞后。 对于变化很快的暂态过程和冲击电流（如电容器的充放电和通断电自感），往往就无能为力了。（4）由于灯泡发光需要较大的电功率，即需要实验所用的电源能够提供。例如显示电 容器和电感器对交流电的阻抗和电流频率关系的实验时，若使用音频信号发生器供电，就需 要选用有足够功率输出的产品。03 案例分析把握住以上机理和特性，才能在实验中正确地使用小灯泡。一定要扬长避短。避免误导。1. 观察二极管的单向导电性进行大众科普表演，通常会做图2 所示的实验。问题在于图丙那样
6、二极管反接的情况下， 灯泡不亮未必能确定电路中没有电流，也可能是有较小的但不能忽略的电流而不足以使灯丝 发光。那么究竟如何呢？十耳匸、理E由朮汕T d-TH 2.!VO.3AD 二存 1N4007因此在物理课程中，应当再向电路中接入量程 0.6A的直流电流表来观测，可看到图甲中有约0.3A 的电流，图乙中也有电流，但略小于图甲，而图丙 却开不到电流。再改用更小量程的电流表，可发现 图丙中也并非绝对没有电流，而是小到1UA以下， 即二极管的反向电阻极大，通常即可视为不导电了。图22. 观察电容器的充放电电容器充放电的原理性电路如图3甲所示，无论充电或放电过程中，电路中的电流i都 是按照时间 t
7、的 指数函数衰减的，见图中的公式。这是一种典型的暂态过程。公式中乘积 RC称为该电路的时间常数t。. : 3V C ： 111 = 13 sc 打泡：2p5vopjA田图3有人想到如图乙那样用2.5V0.3A的小灯泡来显示充放电电流变化的情况，但并非随意 取一个电容器做实验就能成功。由于小灯泡的电阻R灯不到10Q,则需取电容为1法拉或更 大些的“超级电容器”使此电路的时间常数t值足够大（约几秒），才能从容地够看到灯 泡由亮逐渐变暗的过程，时间约有10s或更长些，实验取得成功。若电容只取104微法数量 级，即使将E提高到6V，也只能勉强看到灯泡闪一下微光，若电容再小就什么也看不到了。 图乙成功的
8、实验也存在若干问题： 公式中初始电流i0 = ER,但灯泡在实验中所发出最亮 的光并不能与i0对应，电流下降到某种程度（还不为零）时就不发光了，致使灯光并不 能显示充放电的全过程。灯丝的电阻在充放电过程中会成倍地变化，而公式要求R为定 值，实验过程中i不是按照指数函数规律变化的。不能显示电流的方向。有人提出了改进方案如图丙，增加了电流表，能对电流做定量显示，并可以显示电流最 终衰减到零。注意放电前要将电流表反接。想一想：图丙电路中可否去掉小灯泡？再改进的方案如图丁，可以开设学生分组实验。电流表改为零点在中央的J0409型灵敏 电流计，并且用阻值相当大的定值电阻代替小灯泡。因R约5kQ，故可搭配
9、常用的较小的 1000微法电容器，即可使时间常数达到约5s,而能够观测到电流缓慢的变化过程。由此可知，对于非稳态过程，如果电流足够大并且变化相当缓慢，也可以使用小灯泡来粗略地显示电流大小在一定范围内的变化。再者，若用小灯泡显示电容器两端的电压就更不可取了。因为它会导致电容器迅速放电 而使电压变化，并且在电容器电容很小时还可能不发光！更好的方法是用传感器或数字式示波器来观测。详细的介绍请参阅本公众号发表的文章从一道高考题谈电容器的充放电实验和深入研讨电容器充放电实验。3. 观察通断电自感现象通断电自感是另一种典型的暂态过程。如何完全、准确地来显示呢？L 图5图4、图5是六十年前就有的传统的实验。
10、当 时中学里没有更好的检测仪器，只能用小灯泡在 特定条件下显示出的某种现象，来间接证明自感 电动势的产生。但是它不能全面、准确、形象地 反映自感现象的本质和规律，而且会带来某些困 惑和误解。对于图 4 的实验： 学生肯怀疑亠发光滞后于A2的现象是由于两个灯泡不同、或电阻器R的阻值与线 圈的电阻r不同造成的。由教师告知它们是相同的并非好的教学方法，因为你没有做出证明， 学生不该盲目相信。简单的解决办法是将A2互换再做一次，看到现象依旧，从而打消 了怀疑。 学生会问：随意取一个线圈都能出现A1比A2发光滞后的现象吗？如果电路中是用 可拆变压器的1400匝线圈套在大尺寸的闭合铁心上作为自感线圈L但若
11、将铁芯去掉或改 为 100 匝的线圈，上述现象就看不到了。原因何在？对于图 5 的实验： 学生会问：断电时灯泡闪光为什么会比原来更亮？是否随意取一个线圈都能出现这 种现象？严格地说，其原理相当复杂，学生不易理解，更难以去自行探究。 还会问：怎样能直接显示出自感电动势的极性和大小呢？ 学生对灯泡闪光的印象太深刻了，往往误认为断电时的 自感是瞬间的现象而不是一个过程。 更有甚者，曾衍生出如下的高考题：按图6连接电路，电感的电阻忽略不计。电键K从闭合状 态突然断开时，下列判断正确的有：(A) a 先变亮，然后逐渐变暗 (B) b 先变亮，然后逐渐变暗 (C) c 先变亮，然后逐渐变暗(D) b、 c
12、 都逐渐变暗给出的标准答案是：(A)、(D)此答案引起广泛的质疑。事实上答案A、D所述的现象不一定会发生。再者，此电 路纯系为考试而编，并无实用价值。总而言之，实验电路是一种RL电路，它也具有相应的时间常数t = L / R。基于小 灯泡的特性，只有在时间常数足够大(也就是要求线圈的自感系数L足够大)的特定条件 下，灯泡才能显示出某些预期的现象。更好的方法是用传感器或数字式示波器来观测。 24. 能否用小灯泡区分直流电和交流电？例如将2.5V的小灯泡连接到演示用手摇交流发电机的输出端，让转子缓慢旋转时，由 灯泡发光的闪烁显示出电流强弱是变化的。但并不能反映电流方向的交变，因此若是通过低 频率的
13、脉动直流电，也会显示同样闪烁的现象。当通过50Hz的正弦交流电时，眼就感觉不到灯光的闪烁，原因是灯丝的热容的作用使 得灯丝温度的波动变得相当小，再加上眼的视觉暂留现象。所以靠小灯泡不能区分恒定的直流电和频率较高、幅度恒定的交流电。5. 能否观察到小灯泡自身通电时刻的冲击电流？灯丝刚通电时电阻比正常发光后小得多，因此初始电流的最大值将是稳定发光后电流的 几倍，称为冲击电流。但是却不会看到通电时先 闪亮再转暗的现象，原因是冲击电流维持的时间 太短（可能仅有0.1s），不能使灯丝达到发光所需 温度。只有用电流传感器配合数字化实验系统才 能显示出冲击电流的存在和大小，如图7为实测 标称“6V0.5A”
14、小灯泡通电时的I-t图线。想一想：能否用传感器同步观测和记录此实 验中灯泡亮度的变化以支持上述的解释？6. 能否用小灯泡亮度检测和比较电容器能够放出电量的多少和两极板间电压的大小？ 此方法不可取。因为通过电路的电量是电流强度对时间的积分，时间这个因素是必须考虑到的，况且灯泡变暗到不发光时电容器仍会继续放电。只是在特定情况下，取足够大的电 容，使此RC电路有足够大的时间常数，用同一个灯泡检测同一个电容器，当储存的电量较 多时，会看到灯泡发光较亮并且发光时间较长些。还有人用小灯泡亮度检测和比较电容器两 极板间电压的大小，也不可取。因为电容器要通过灯泡放电，和上述情况一样是个暂态过程， 亮度取决于多
15、种因素，电容器的电压大未必能使灯泡较亮，还可能不会发光。这两个例子都图9 是为了追求简单和直观，造成了概念的混淆和原理的错误。7. 怎样观察电容和电感对交流电的影响？图8曾见到如图8所示的实验电路，拟用小灯泡来显示 以下的现象：R、C、L三种元件都能通过交流电， 而R、L对于直流电也可以通过，C却不能。C、L 两种元件都会对交流电起“阻碍”作用。看起来实验原理挺简单，实际却必须依据小灯泡发 光的特性来精心选择和搭配R、L、C元件和交直流电源 的参数，随意找几个成品元件往往是做不成的。例如A、A2、A3都取用2.5V0.3A的小灯泡，它大约在0.180.3A的电流范围内才能 发光，则可以取0.25A （对应的工作电压约2V）来做设计。E若取3V干电池，则G取3V（有效值）50Hz的工频正弦交流电源。电容器C对50Hz交流电的阻抗宜稍大于电阻器R 的阻值，绕制电感线圈L所用导线的电阻r要等于R,而L对50Hz交流电的阻抗宜稍大于 R。这就增加了选择电容器和电感线圈的困难。如果改用电流表或示波器来观测电流，就会使选择元件变得容易些，并且能够增加更 多的观测项目。04 结论 在实验中使用小灯泡（钨丝灯泡）来显示电流应慎之又慎，要扬长避短！关键是真切认 识小灯泡的发光机理和特性，澄清一些误解，克服习惯性思维，积极选用先进的仪器做观测。 对于某些传统的实验方法要有清醒的
