龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn 关于电灯的电阻和亮度 作者:戴亚玉 来源:《读写算》2011 年第 08 期 【摘 要】伏安特性曲线描述了电灯泡的电阻随电压和电流而变化;研究电灯的亮度,不 仅要考虑电功率,还要考虑光的能量随频率的分布、视见函数等因素。我们必须用事物互相联 系,不断发展变化的观点分析和解决问题。 【关键词】电灯 伏安特性曲线 亮度 因素 变化 电灯是大家很熟悉的生活用品,电灯泡透明度高,内部结构一目了然。学生在初中阶段就 学习了与电灯相关的物理知识。初中《科学》将电灯描述为电阻不变的纯电阻。电流通过灯泡 灯丝发热,温度升高到三千摄氏度以上,灯丝处于白炽状态,发出白光。所以电灯也称白炽 灯。对于电灯的电流、电功率的计算,基于电灯泡是恒值电阻。到了高中阶段,学生再学电 灯,发现初中阶段对电灯的描述跟事实相差实在太远。例如标着“220V 60W”的灯泡,当它在 220V 电压下工作时,电阻为 807Ω,若用欧姆表直接测量电阻,即在电压不超过 1.5V 的情况 下测得的电阻约 52Ω,两者相差 15 倍以上。所以我们必须重新认识电灯。 灯泡的灯丝是一段均匀的螺旋状的钨丝,它的电阻随电压变化。它的电阻有如此大的变 化,我们不能将它看成是恒值电阻。由于电阻随电压连续变化,可用新的数学工具——图象描 述电灯。最常用的图象就是伏安特性曲线。如图 1 所示,伏安特性曲线上每点都表示电灯在某 一电压下工作时通过的电流。该状态下的电阻大小可通过电压与电流的比值即确定。也可以画 通过原点的割线,求割线斜率减小,表明电阻增大。这样描述,培养学生用变化的思想去思考 问题。随着电压、电流的增大,电灯的电功率增大,温度升高,灯丝的导电性能发生变化。温 度升高,金属的电阻率增大引起电阻的增大。 图1 电灯泡有时被当成电阻接在电路中起降压或限流作用。例如在电烙铁使用时,常串联一只 灯泡。如图 2 所示,当开关 S 断开时,电烙铁 R 由于灯泡 L 的分压处于保温状态,消耗的电功 率较小。当开关 S 闭合时,电烙铁 R 处于额定电压,电功率增大。如何计算保温状态时电烙铁 的电功率?初中阶段,将灯泡、电烙铁都视为恒定电阻,根据串联电路特点计算出电烙铁的电 功率,所得结果跟事实相差甚远。正确计算须用电烙铁和灯泡的伏安特性曲线。图 3 是电烙铁 和电灯的伏安特性曲线。根据串联电路电流处处相同的特点,可在图中画平行于横轴的直线 AB,找到跟伏安特性曲线的交点 C 和 D,求出 C 和 D 对应的电压值 U1 和 U2,将 U1 和 U2 值相加,看是否等于电路的路端电压 U。如不相同可上下平移 AB 直线,改变与曲线的交点, 龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn 直到满足 U1+U2=U,这就是电烙铁和电灯串联时的工作状态。通过图象求出电路的电流即可 求出电烙铁处于保温状态时的电功率,伏安特性曲线提供了解决多因素变化的问题的方法。 我们常常讨论的有关电灯另一个问题是所谓“亮度”问题。“亮度”本是光度学的专有名词, 牵涉到好多光度学的概念。我们通常谈电灯的“亮度”是一个较模糊的概念,实质是光通量。光 通量是人眼所能感觉的辐射能量,它等于单位时间内某一波段的辐射能量和该波段的视见函数 的乘积。视见函数描绘了不同波长的光对人眼的视觉灵敏度,如图 4 所示。正常视力的人,对 波长 550nm 的黄绿色光最敏感,视见函数定为 1。对红光和紫光较不敏感,视见函数较小。对 红外光和紫外光则无视觉反应。所以对辐射能量相同的不同颜色的光,人眼感觉的亮度就不相 同。 初中《科学》将电灯的亮度跟电灯的电功率等同看待,认为电功率越大亮度越大。例如电 灯在额定电压下亮度为 I,若电压减为一半,灯丝电阻不变,电功率就减为四分之一,亮度也 就为 I,这不符合实际情况。由于电压减小一半,灯丝电阻大大减小,功率就超过额定功率的 四分之一,但电灯的亮度却远小于 I。电灯灯丝在高温下所发出的光并不是单色光,而是由频 率连续变化的无限种单色光合成的复色光,且分布如图 5 所示。其中有一个能量最大的光的频 率,称最可几频率。当温度较高时,电灯辐射光的总能量较大,最可几频率较高,接近视见函 数最大的黄绿色光,如图 5 实线所示。所有不同频率的光合成接近白光,亮度较大。温度较低 时,辐射光的总能量较小,最可几频率向频率较低的一边移动,远离视见函数最大的黄绿色 光,如图 5 虚线所示。由于最可几频率靠近红光频段,所以灯光偏红色且亮度较小。 图5 在物理教学中,我们应培养学生用各种因素相互联系的,事物在不断变化发展的观点看待 问题,研究问题,并找出相应的解决问题的方法。切不可将物理问题简单化,用静止的观点看 待问题,用一成不变的模式解决问题。因为这违背了唯物辩证法。 参考文献 [1] 《中学物理教师手册》 上海教育出版社.