日光燈原理探究式教學(xué)設(shè)計(jì)

張盼盼+馬愛(ài)霞

【摘 要】日光燈的工作原理是電工技術(shù)基礎(chǔ)中學(xué)生需要理解和掌握的知識(shí)點(diǎn)。作者從自身的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)出發(fā)，總結(jié)了日光燈原理探究式的教學(xué)設(shè)計(jì)。從兩個(gè)電路圖進(jìn)行問(wèn)題設(shè)計(jì)，引入通電自感和斷電自感現(xiàn)象，初步引導(dǎo)學(xué)生了解日光燈中的鎮(zhèn)流器利用線圈的自感現(xiàn)象進(jìn)行工作；播放“日光燈的工作原理”視頻，使學(xué)生熟悉日光燈電路的組成、日光燈發(fā)光的條件、日光燈點(diǎn)亮的整個(gè)過(guò)程；將斷電自感和日光燈的點(diǎn)亮條件相結(jié)合，使學(xué)生理解啟輝器所起的“自動(dòng)開關(guān)”作用。實(shí)物展示環(huán)節(jié)，展示日光燈燈管、鎮(zhèn)流器和啟輝器，組織學(xué)生討論其每一部分在日光燈電路中所起到的作用。實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，帶領(lǐng)學(xué)生到電工電子實(shí)驗(yàn)室，做“日光燈電路及功率因數(shù)的提高”實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行一系列實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)，使學(xué)生進(jìn)一步掌握日光燈的工作原理。

【關(guān)鍵詞】日光燈原理；教學(xué)設(shè)計(jì)；鎮(zhèn)流器；啟輝器

0 引言

日光燈屬于一個(gè)日常生活中廣泛使用的典型單相用電器，由日光燈燈管、鎮(zhèn)流器、啟輝器3部分及連接導(dǎo)線和單相電源共同組成。鎮(zhèn)流器是一個(gè)帶有鐵芯的電感線圈，日光燈啟動(dòng)時(shí)，鎮(zhèn)流器產(chǎn)生瞬時(shí)高壓，結(jié)合啟輝器的“自動(dòng)開關(guān)”作用使日光燈點(diǎn)燃。

單對(duì)上述內(nèi)容敘述或者講解，很難達(dá)到本次課的教學(xué)目的：理解鎮(zhèn)流器和啟輝器在日光燈點(diǎn)燃過(guò)程中所起的作用，熟悉日光燈的點(diǎn)燃過(guò)程，掌握日光燈工作原理。作者從自身的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)出發(fā)，總結(jié)出能夠達(dá)到本次課教學(xué)目的的教學(xué)設(shè)計(jì)。首先，從通電自感和斷電自感的電路分析讓學(xué)生了解鎮(zhèn)流器是利用線圈的自感現(xiàn)象工作，并恰當(dāng)?shù)匾雴⑤x器的“自動(dòng)開關(guān)”作用；其次，利用多媒體播放日光燈原理相關(guān)視頻，讓學(xué)生熟悉日光燈電路的組成、日光燈發(fā)光的條件、日光燈點(diǎn)亮的整個(gè)過(guò)程；再次，通過(guò)實(shí)物展示環(huán)節(jié)，組織學(xué)生討論思考其每一部分在日光燈電路中所起到的作用；最后，通過(guò)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，使學(xué)生進(jìn)一步掌握日光燈的工作原理，并熟悉功率因數(shù)提高的方法。

1 通電自感和斷電自感

這一環(huán)節(jié)由一個(gè)通電自感和斷電自感電路圖來(lái)設(shè)計(jì)問(wèn)題。問(wèn)題1：圖1a中開關(guān)S閉合，燈泡LA和燈泡LB是如何亮的，是立即變亮還是逐漸變亮？為什么？問(wèn)題2：圖1b中開關(guān)S由閉合到斷開，燈泡L是如何熄滅的，是立即熄滅還是其他熄滅方法？為什么？組織學(xué)生復(fù)習(xí)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)及楞次定律相關(guān)內(nèi)容，并分小組討論這兩個(gè)問(wèn)題。

1.1 引導(dǎo)學(xué)生分析問(wèn)題

圖1a中，閉合開關(guān)K，LA立即變亮，LB逐漸變亮。原因分析：與LB串聯(lián)的是一個(gè)電感線圈，開關(guān)閉合時(shí)，電感線圈上的電流由無(wú)到有，由小到大，由于流過(guò)電感線圈的電流發(fā)生變化而產(chǎn)生電磁感應(yīng)，根據(jù)楞次定律，感應(yīng)電流的方向總要阻礙引起感應(yīng)電流的磁通量的變化，I自的方向與I原相反，加到LB上的電流是由0逐漸增大的，因此LB逐漸變亮。

圖1b中，斷開開關(guān)K燈泡L先閃亮一下，再熄滅。原因分析：與RL并聯(lián)的是一個(gè)電感線圈，開關(guān)由閉合到斷開時(shí)，電感線圈上的電流由有到無(wú)，由大到小，由于流過(guò)電感線圈的電流發(fā)生變化而產(chǎn)生的電磁感應(yīng)，根據(jù)楞次定律，感應(yīng)電流的方向總要阻礙引起感應(yīng)電流的磁通量的變化，I自的方向與I原相同，I自和I原同時(shí)加到RL上，因此，燈泡L先閃亮一下，再熄滅。

1.2 總結(jié)自感現(xiàn)象

自感現(xiàn)象：由于電感器本身的電流發(fā)生變化而產(chǎn)生的電磁感應(yīng)現(xiàn)象。感應(yīng)電流的磁場(chǎng)總要阻礙引起感應(yīng)電流的磁通量的變化。I自的方向：I原是增加的，I自的方向與I原相反；I原是減小的，I自的方向與I原方向相同。

由于日光燈工作需要有某種設(shè)備在日光燈點(diǎn)燃時(shí)能夠感應(yīng)一個(gè)高壓，讓這個(gè)高壓和市電電壓一起同時(shí)加在燈管兩端，它們所形成的強(qiáng)電場(chǎng)使燈絲溢出的電子形成高速電子流而使燈管導(dǎo)通。圖1b斷電自感實(shí)驗(yàn)電路中的電感線圈就可以充當(dāng)感應(yīng)高壓設(shè)備的角色，它也正是日光燈電路中的鎮(zhèn)流器，其作用是在日光燈點(diǎn)燃時(shí)感應(yīng)一個(gè)高壓，前提是需要一個(gè)開關(guān)斷開的動(dòng)作，使得通過(guò)電感器的電流瞬時(shí)減小，而這個(gè)開關(guān)斷開的動(dòng)作恰恰就是日光燈原理中啟輝器所起到的作用。

2 視頻演示及實(shí)物展示

通過(guò)一個(gè)時(shí)長(zhǎng)為4分鐘的視頻，讓學(xué)生熟悉日光燈的點(diǎn)燃過(guò)程：電路原理圖如圖2（a）所示。閉合開關(guān)，電路仍是斷開的圖2（b），電壓都加在氖泡內(nèi)兩觸點(diǎn)間，氖氣被220V電壓擊穿而導(dǎo)電，氖泡發(fā)光。氖泡發(fā)光并發(fā)熱，雙金屬片要膨脹，當(dāng)動(dòng)觸片與靜片接觸，電路被接通，氖泡不再發(fā)光圖2（c），兩端的燈絲被加熱，氖泡內(nèi)溫度下降，雙金屬片又收縮，與靜片分離，電路被斷開，在斷電的瞬間，鎮(zhèn)流器的自感線圈產(chǎn)生瞬間高壓，加在燈管兩端，使管內(nèi)氣體開始放電，日光燈正常發(fā)光圖2（d）。

日光燈點(diǎn)燃的整個(gè)過(guò)程有三個(gè)關(guān)鍵步驟：1.閉合開關(guān)，氖泡動(dòng)觸片與靜觸片接觸。2.雙金屬片收縮，氖泡動(dòng)觸片與靜觸片分離，電路被斷開。3.在斷電的瞬間，鎮(zhèn)流器的產(chǎn)生自感作用，產(chǎn)生瞬間高壓，加在燈管兩端，日光燈發(fā)光。

展示日光燈燈管、鎮(zhèn)流器和啟輝器，組織學(xué)生討論思考其每一部分在日光燈電路中所起到的作用。

3 實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)

帶領(lǐng)學(xué)生到電工電子實(shí)驗(yàn)室，做“日光燈電路及功率因數(shù)的提高”實(shí)驗(yàn)。進(jìn)行一系列實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)，使學(xué)生進(jìn)一步掌握日光燈的工作原理，并熟悉功率因數(shù)提高的方法。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)如下：

3.1 啟動(dòng)階段，電阻是否可以代替鎮(zhèn)流器

燈管已點(diǎn)亮，為鎮(zhèn)流器并聯(lián)燈泡即電阻，燈泡發(fā)出不太強(qiáng)的光，斷開鎮(zhèn)流器燈管仍發(fā)光，說(shuō)明此時(shí)（在燈管點(diǎn)亮?xí)r）電阻可以代替鎮(zhèn)流器。

斷開開關(guān)，使燈管熄滅，再閉合開關(guān)，只看到燈泡閃亮，而燈管不亮，說(shuō)明在啟動(dòng)階段，電阻不可以替代鎮(zhèn)流器。

3.2 啟動(dòng)階段，自動(dòng)開關(guān)是否可以代替啟輝器

在日常生活中，當(dāng)日光燈上缺少了啟輝器時(shí)，人們常用一根導(dǎo)線將啟輝器的兩端短接一下，然后迅速斷開，使日光燈點(diǎn)亮。請(qǐng)同學(xué)們先思考，再做實(shí)驗(yàn)。

燈管點(diǎn)亮后，啟動(dòng)器拆下，燈管可正常工作，但斷開開關(guān)后，就不能重新啟動(dòng)了，燈管不亮。按下與啟輝器并聯(lián)的按鍵開關(guān)，即（短路）可以看到燈腳處燈絲發(fā)光，說(shuō)明有電流流過(guò)，松開按鍵開關(guān)，燈管也可以點(diǎn)亮。說(shuō)明在啟動(dòng)階段，按鍵開關(guān)可以代替啟輝器。

3.3 為日光燈依次并聯(lián)電容，觀察功率因數(shù)變化

日光燈電路并聯(lián)電容后，總電流減小，但是當(dāng)電容增大到某一數(shù)值時(shí)，總電流卻又上升，說(shuō)明，在感性電流兩端并聯(lián)電容可以提高功率因數(shù)，但必須并聯(lián)適當(dāng)容量的電容器。

4 總結(jié)

本文作者從自身的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)出發(fā)，總結(jié)了日光燈原理探究式的教學(xué)設(shè)計(jì)。首先，引入通電自感和斷電自感現(xiàn)象，初步引導(dǎo)學(xué)生了解日光燈中的鎮(zhèn)流器就是利用線圈的自感現(xiàn)象；其次，通過(guò)視頻和實(shí)物展示環(huán)節(jié)，使學(xué)生熟悉日光燈電路的組成、日光燈發(fā)光的條件、日光燈點(diǎn)亮的整個(gè)過(guò)程，理解啟輝器所起的“自動(dòng)開關(guān)”作用。最后，通過(guò)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，進(jìn)行一系列實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)，使學(xué)生進(jìn)一步掌握日光燈的工作原理。

【參考文獻(xiàn)】

[1]陳顯盈，尤愛(ài)惠.“日光燈”教學(xué)設(shè)計(jì)[J].技術(shù)物理教學(xué)，2011（18）.

[2]鄧旭學(xué).《日光燈原理》的實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)[J].物理教學(xué)探討，2004（22）.

[3]周紀(jì)良.“自感現(xiàn)象 日光燈原理”探究式教學(xué)設(shè)計(jì)[J].物理通報(bào)，2006.

[4]張明星.關(guān)于“日光燈原理”教學(xué)中存在的問(wèn)題[J].物理教學(xué)探討，2005（23）.

[5]郭學(xué)提.職校《日光燈原理》教學(xué)實(shí)例[J].電子報(bào)，2008.

[6]趙歆.電工電子技術(shù)[M].北京：北京郵電大學(xué)出版社，2013.

[責(zé)任編輯：王楠]