白炽灯泡电光转化率_物理论文

　　l、问题的提出

　　中学物理教学中，讲到能的转化和守恒定律时，几乎所有教师都会给同学举出这样一个例子：白炽灯泡发光时，消耗一定的电能，一部分转化为有用的光能，另一部分则转化为无用的热能散失掉了；并会让学生回忆用手触摸发光灯泡时的烫手感觉．这时，总会有学生反问教师：到底有多少电能转化为光能，有多少损失掉了呢？教师往往被问得措手不及，其实教师完全可以由学生的问题出发，鼓励学生进行科学探究，通过亲自动手实验找出白炽灯的电光转化率．本文提供一种用CBL系统测定白炽灯电光转化率的方法，以供参考．

　　2、实验设计

　　（1）模型及原理

　　最基本的光源是点光源，任何一种光源皆可看作是由一系列点光源组合而成的，它的光强可由这一系列点光源光强进行迭加而得到．当某光源的发光部分的长度远小于光源到测点的距离时，可将该光源视为点光源．点光源发出的光是球面波，球的表面积为4πR²，如果测得某点的光强度I（mW/cm²）（单位面积上流过的光能量），则：

　　发光功率 （1）

经变形可得y=kx其中：

　　（2）

　　测出若干个R处的发光强度I（mW/cm²），就可以用拟合出一条y＝kx直线，找出其斜率，即可得白炽灯泡的电光转化率：

　　（2）装置

　　由原理分析可知，本实验的关键之一是测出距离灯泡为R处的光强度I（mW/cm²），用CBL系统可以实现此目的．该系统是由美国生产的一种适合中学生进行科学探究的实验系统，它的适用范围广阔、操作方法方便、表现形式直观．它主要由三部分组成，CBL接口设备、TI系列图形计算器、配套探头．本实验中所用的是：TI－83Plus图形计算器、CBL系统和光传感器．光传感器是用光电三极管来测光强的，把该传感器插入CBL系统，即可读出照在其顶端表面上的光强度值I（mW/cm²），它在波长为300～1100nm的范围内有效．

　　为避免杂散光的影响，将一未使用过的40W的白炽灯泡（可认为其消耗电功率为40W）和CBL系统置于一长宽高都为3m的暗室中，将一细绳系在固定在灯泡上的小支架上，使其延长线通过灯丝中心灯泡灯丝线度大约为3cm，当测量距离大于80cm时（R>>r），即可把灯泡看为点光源．在距离灯泡80cm处打第一个结，然后每隔20cm打一个结，这样就可以用光传感器测出结点R处的光强度I，避免每次用米尺测量带来的误差．实验装置图如图1．

　　3、数据处理方法

表1列出一组实验数据（实验条件：在一个四周墙壁及天花板都用黑漆涂过的暗室中，灯泡的位置在房间稍靠近墙壁处）：

　　用Excel的图形功能进行拟合，使得到图2及所对应的趋势线方程：

　　由图中可得：k=34.607(mW)^1/2，代入（3）式：

　　4．实验条件探究

　　公式（1）的理想条件是：由光源发出的光线是自由发散的，并且无其它杂光的干扰．暗室能很好地避免外部杂光的干扰，但墙壁的反射可能会对实验造成影响，即墙壁的特性（颜色、光度、质料等）以及暗室的大小对本实验可能会有一定影响．下面对实验条件做以探究．

　　考虑到物体反射与本身颜色对相同的可见光，白色物体反射所有可见光，而黑色物体则吸收所有单色光，我们对暗室的颜色加以控制，选用黑色墙壁的暗室．

　　再用控制变量法对灯的位置（暗室的大小）、墙壁特性这两个因素进行实验研究．

　　（1）墙壁的特性：第一次用黑色墙壁；第二次用黑色金丝绒布把墙壁四周及地面蒙上。

　　（2）灯的位置：位置1：暗室中央；位置3：靠近墙壁处；位置2：位置1、3连线的中点处，如图3所示．（每次只是水平移动灯泡，保持其竖直位置不变）

　　测量的方法及数据处理方法同2．3中所述，具体数据见附录．现列出上述实验结果（表2）并加以分析：

　　（1）当墙壁的特性（颜色、光度、材质等）一定时，灯的位置越靠近墙壁，其相应的光电转化率越大．说明实验结果跟位置有关，且越靠近暗室中央所受到反射光的干扰越小．所以暗室越大越能减小反射光的影响，最理想的暗室应该无穷大．

　　（2）当灯的位置一定时，粗糙绒布所对应的光电转化率总是小于光滑墙壁所对应值，尤其在位置3上，竞相差了70％，说明墙壁的特性对实验结果有影响．考虑到公式（1）的适用条件，用粗糙、吸光性好的黑色墙面有利于使实验结果接近真实值．

　　（3）由表2和图3可以看出，在灯泡位置变化的过程中（位置3—2—1），对两种材质的墙壁而言，灯的位置间都是等间隔的，而各自对应的光电转化率并不是线性变化的，是先锐减，到中央附近后基本不变；并且在中央位置1附近，两种材质的光电转化率比较接近，说明在暗室中央附近黑色墙壁的材质对结果的影响较小．

　　由上述分析可知，把灯放在尽量大的、墙壁粗糙的、黑色暗室的中央处最接近公式（1）的适用条件，实验结果能更接近真值．本实验的近其值为30．1％（黑色绒布位置1处）．

　　当然，影响本实验结果的因素还有很多，有兴趣的读者可以进一步研究，教师也可以引导学生进行实验探究．

　　5、误差分析

　　本实验误差的主要原因是：

　　其一，所用的光传感器测出的光强度值是在波长为300～1100nm的范围内有效，而可见光的波长范围是380nm～780nm；

　　其二，暗室的实验条件与公式所要求的理想条件还有一定距离，所以测量值比真值偏大．

　　通过本实验设计得到了测定40W灯泡的电光转化率的一种方法，并对影响实验结果的可能因素进行了初步探讨．这是一个很好的引导学生自己动手探究规律，并用简单的计算机操作软件进行数据处理的研究性课题．对于培养学生的质疑能力、分析能力、实验能力及物理与现代技术的整合能力都有积极的作用．