逍遥学能 2018-12-01 21:46
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2019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”。 2019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。