关于电灯的电阻和亮度

关于电灯的电阻和亮度

【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，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.