日光灯原理探究式教学设计

张盼盼+马爱霞

【摘 要】日光灯的工作原理是电工技术基础中学生需要理解和掌握的知识点。作者从自身的教学经验出发，总结了日光灯原理探究式的教学设计。从两个电路图进行问题设计，引入通电自感和断电自感现象，初步引导学生了解日光灯中的镇流器利用线圈的自感现象进行工作；播放“日光灯的工作原理”视频，使学生熟悉日光灯电路的组成、日光灯发光的条件、日光灯点亮的整个过程；将断电自感和日光灯的点亮条件相结合，使学生理解启辉器所起的“自动开关”作用。实物展示环节，展示日光灯灯管、镇流器和启辉器，组织学生讨论其每一部分在日光灯电路中所起到的作用。实验环节，带领学生到电工电子实验室，做“日光灯电路及功率因数的提高”实验，进行一系列实验内容设计，使学生进一步掌握日光灯的工作原理。

【关键词】日光灯原理；教学设计；镇流器；启辉器

0 引言

日光灯属于一个日常生活中广泛使用的典型单相用电器，由日光灯灯管、镇流器、启辉器3部分及连接导线和单相电源共同组成。镇流器是一个带有铁芯的电感线圈，日光灯启动时，镇流器产生瞬时高压，结合启辉器的“自动开关”作用使日光灯点燃。

单对上述内容叙述或者讲解，很难达到本次课的教学目的：理解镇流器和启辉器在日光灯点燃过程中所起的作用，熟悉日光灯的点燃过程，掌握日光灯工作原理。作者从自身的教学经验出发，总结出能够达到本次课教学目的的教学设计。首先，从通电自感和断电自感的电路分析让学生了解镇流器是利用线圈的自感现象工作，并恰当地引入启辉器的“自动开关”作用；其次，利用多媒体播放日光灯原理相关视频，让学生熟悉日光灯电路的组成、日光灯发光的条件、日光灯点亮的整个过程；再次，通过实物展示环节，组织学生讨论思考其每一部分在日光灯电路中所起到的作用；最后，通过实验环节，使学生进一步掌握日光灯的工作原理，并熟悉功率因数提高的方法。

1 通电自感和断电自感

这一环节由一个通电自感和断电自感电路图来设计问题。问题1：图1a中开关S闭合，灯泡LA和灯泡LB是如何亮的，是立即变亮还是逐渐变亮？为什么？问题2：图1b中开关S由闭合到断开，灯泡L是如何熄灭的，是立即熄灭还是其他熄灭方法？为什么？组织学生复习感应电动势及楞次定律相关内容，并分小组讨论这两个问题。

1.1 引导学生分析问题

图1a中，闭合开关K，LA立即变亮，LB逐渐变亮。原因分析：与LB串联的是一个电感线圈，开关闭合时，电感线圈上的电流由无到有，由小到大，由于流过电感线圈的电流发生变化而产生电磁感应，根据楞次定律，感应电流的方向总要阻碍引起感应电流的磁通量的变化，I自的方向与I原相反，加到LB上的电流是由0逐渐增大的，因此LB逐渐变亮。

图1b中，断开开关K灯泡L先闪亮一下，再熄灭。原因分析：与RL并联的是一个电感线圈，开关由闭合到断开时，电感线圈上的电流由有到无，由大到小，由于流过电感线圈的电流发生变化而产生的电磁感应，根据楞次定律，感应电流的方向总要阻碍引起感应电流的磁通量的变化，I自的方向与I原相同，I自和I原同时加到RL上，因此，灯泡L先闪亮一下，再熄灭。

1.2 总结自感现象

自感现象：由于电感器本身的电流发生变化而产生的电磁感应现象。感应电流的磁场总要阻碍引起感应电流的磁通量的变化。I自的方向：I原是增加的，I自的方向与I原相反；I原是减小的，I自的方向与I原方向相同。

由于日光灯工作需要有某种设备在日光灯点燃时能够感应一个高压，让这个高压和市电电压一起同时加在灯管两端，它们所形成的强电场使灯丝溢出的电子形成高速电子流而使灯管导通。图1b断电自感实验电路中的电感线圈就可以充当感应高压设备的角色，它也正是日光灯电路中的镇流器，其作用是在日光灯点燃时感应一个高压，前提是需要一个开关断开的动作，使得通过电感器的电流瞬时减小，而这个开关断开的动作恰恰就是日光灯原理中启辉器所起到的作用。

2 视频演示及实物展示

通过一个时长为4分钟的视频，让学生熟悉日光灯的点燃过程：电路原理图如图2（a）所示。闭合开关，电路仍是断开的图2（b），电压都加在氖泡内两触点间，氖气被220V电压击穿而导电，氖泡发光。氖泡发光并发热，双金属片要膨胀，当动触片与静片接触，电路被接通，氖泡不再发光图2（c），两端的灯丝被加热，氖泡内温度下降，双金属片又收缩，与静片分离，电路被断开，在断电的瞬间，镇流器的自感线圈产生瞬间高压，加在灯管两端，使管内气体开始放电，日光灯正常发光图2（d）。

日光灯点燃的整个过程有三个关键步骤：1.闭合开关，氖泡动触片与静触片接触。2.双金属片收缩，氖泡动触片与静触片分离，电路被断开。3.在断电的瞬间，镇流器的产生自感作用，产生瞬间高压，加在灯管两端，日光灯发光。

展示日光灯灯管、镇流器和启辉器，组织学生讨论思考其每一部分在日光灯电路中所起到的作用。

3 实验环节

带领学生到电工电子实验室，做“日光灯电路及功率因数的提高”实验。进行一系列实验内容设计，使学生进一步掌握日光灯的工作原理，并熟悉功率因数提高的方法。实验内容设计如下：

3.1 启动阶段，电阻是否可以代替镇流器

灯管已点亮，为镇流器并联灯泡即电阻，灯泡发出不太强的光，断开镇流器灯管仍发光，说明此时（在灯管点亮时）电阻可以代替镇流器。

断开开关，使灯管熄灭，再闭合开关，只看到灯泡闪亮，而灯管不亮，说明在启动阶段，电阻不可以替代镇流器。

3.2 启动阶段，自动开关是否可以代替启辉器

在日常生活中，当日光灯上缺少了启辉器时，人们常用一根导线将启辉器的两端短接一下，然后迅速断开，使日光灯点亮。请同学们先思考，再做实验。

灯管点亮后，启动器拆下，灯管可正常工作，但断开开关后，就不能重新启动了，灯管不亮。按下与启辉器并联的按键开关，即（短路）可以看到灯脚处灯丝发光，说明有电流流过，松开按键开关，灯管也可以点亮。说明在启动阶段，按键开关可以代替启辉器。

3.3 为日光灯依次并联电容，观察功率因数变化

日光灯电路并联电容后，总电流减小，但是当电容增大到某一数值时，总电流却又上升，说明，在感性电流两端并联电容可以提高功率因数，但必须并联适当容量的电容器。

4 总结

本文作者从自身的教学经验出发，总结了日光灯原理探究式的教学设计。首先，引入通电自感和断电自感现象，初步引导学生了解日光灯中的镇流器就是利用线圈的自感现象；其次，通过视频和实物展示环节，使学生熟悉日光灯电路的组成、日光灯发光的条件、日光灯点亮的整个过程，理解启辉器所起的“自动开关”作用。最后，通过实验环节，进行一系列实验内容设计，使学生进一步掌握日光灯的工作原理。

【参考文献】

[1]陈显盈，尤爱惠.“日光灯”教学设计[J].技术物理教学，2011（18）.

[2]邓旭学.《日光灯原理》的实验教学设计[J].物理教学探讨，2004（22）.

[3]周纪良.“自感现象 日光灯原理”探究式教学设计[J].物理通报，2006.

[4]张明星.关于“日光灯原理”教学中存在的问题[J].物理教学探讨，2005（23）.

[5]郭学提.职校《日光灯原理》教学实例[J].电子报，2008.

[6]赵歆.电工电子技术[M].北京：北京邮电大学出版社，2013.

[责任编辑：王楠]