壓強(qiáng)與氣體輝光放電關(guān)系演示儀的設(shè)計(jì)

林志藝 林躍強(qiáng)

摘要：本文從壓強(qiáng)與氣體輝光放電原理著手，設(shè)計(jì)了適合于中學(xué)物理教學(xué)的“壓強(qiáng)與輝光放電關(guān)系演示儀”，闡述了設(shè)計(jì)方案，演示儀的構(gòu)造以及使用方法，并結(jié)合物理師范專業(yè)特點(diǎn)，總結(jié)了設(shè)計(jì)并制作演示教具的意義。

關(guān)鍵詞：壓強(qiáng)；輝光放電；演示儀；設(shè)計(jì)

中圖分類號：G633.7文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1003-6148(2012)2(S)-0048-3

1引言

輝光放電屬于氣體低氣壓放電。工作壓力一般都低于1x10(h₃)a，它的構(gòu)造是在封閉的容器內(nèi)放置兩個(gè)平行的電極板，利用電子將中性原子和分子激發(fā)，當(dāng)粒子由激發(fā)態(tài)降回至基態(tài)時(shí)會以光的形式釋放出能量。我們利用輝光放電原理以及其現(xiàn)象對輝光放電和壓強(qiáng)的關(guān)系進(jìn)行研究，并進(jìn)行設(shè)計(jì)適合中學(xué)物理教學(xué)的實(shí)驗(yàn)器材。

2真空知識基礎(chǔ)

2.1真空基本概念

在真空科學(xué)中，真空是指在給定的空間內(nèi)低于一個(gè)大氣壓力的氣體狀態(tài)。真空狀態(tài)與人類賴以生存的大氣狀態(tài)相比較。主要有如下基本特點(diǎn)：

真空狀態(tài)下的氣體壓力低于一個(gè)大氣壓，因。此，處于地球表面上的各種真空容器中，必將受到大氣壓力的作用，其大小由容器內(nèi)外的壓差值而定。

2.2真空區(qū)域的劃分

真空狀態(tài)下由于氣體稀薄，單位體積內(nèi)的氣體分子數(shù)，即氣體的分子密度小于大氣壓力的氣體分子密度。處于真空狀態(tài)下的氣體稀簿程度。通常用真空度表示。我們按照不同真空狀態(tài)下氣體壓強(qiáng)的不同，對真空區(qū)域進(jìn)行劃分以及其對應(yīng)的氣體輝光放電現(xiàn)象(如表1)

3氣體輝光放電

3.1氣體輝光放電的定義：

通俗的講，氣體輝光放電就是原來不導(dǎo)電的氣體經(jīng)過電子電離、激發(fā)變成、導(dǎo)電，同時(shí)放出不同光的現(xiàn)象。

3.2氣體輝光放電的原理

通常情況下氣體不導(dǎo)電，但是在大約為幾毫米汞柱(1毫米汞柱約為133.32Pa)的氣壓下，再利用高壓電場，將電子加速，高速電子轟擊到稀薄的氣體原子上，便使得每個(gè)氣體原子被分裂為一個(gè)帶正電的離子和一個(gè)或數(shù)個(gè)自由電子。[4]這樣氣體原子電離后，便可以形成正負(fù)離子。

正離子被反向加速，獲得足夠大的動(dòng)能去轟擊陰極，這時(shí)陰極會產(chǎn)生大量的電子(二次電子)，經(jīng)過簇射過程使大部分的氣體原子被電離，從而產(chǎn)生更多的帶電粒子，使得氣體導(dǎo)電。

氣體分子被電離后不穩(wěn)定，粒子由激發(fā)態(tài)降回至基態(tài)時(shí)會以光子的形式釋放出能量，于是我們便看到了輝光。每種氣體都有其典型的輝光放電顏色，熒光燈的發(fā)光即為一種輝光放電。

3.3氣體輝光放電現(xiàn)象及其特點(diǎn)

輝光放電時(shí)，電子和正離子分別向陽極、陰極運(yùn)動(dòng)，并堆積在兩極附近形成空間電荷區(qū)，從而形成電流。但是電流強(qiáng)度較小(約幾毫安)，電管內(nèi)有特殊的亮區(qū)和暗區(qū)，呈現(xiàn)瑰麗的發(fā)光現(xiàn)象。而且在正常輝光放電時(shí)，兩極間電壓不隨電流變化而變化。

氣體發(fā)光是由于分子被激發(fā)后，激發(fā)態(tài)的電子不穩(wěn)定，要向低能及躍遷，同時(shí)放出光子?！倍吹降念伾炼雀懦龉庾拥哪芰亢兔芏扔嘘P(guān)系。故不同氣體的輝光顏色一般不一樣，同種氣體放電是也會呈現(xiàn)出明暗不相間的8個(gè)大區(qū)域：阿斯頓暗區(qū)：陰極輝區(qū)：陰極暗區(qū)：負(fù)輝區(qū)：法拉第暗區(qū)：陽極區(qū)或正輝區(qū)：陽極暗區(qū)；陽極輝區(qū)。

4壓強(qiáng)與氣體輝光放電關(guān)系演示儀的設(shè)計(jì)

4.1演示儀設(shè)計(jì)方案1

4.1.1設(shè)計(jì)制作方案

它適用于中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)教學(xué)。材料采用K9玻璃管，它們分別由：機(jī)械泵(抽至低真空區(qū)域)；熱偶真空計(jì)；被抽玻璃管；K(m₁)K(m₃)玻璃閥門及高頻火花檢漏儀構(gòu)成。所有管道在制作時(shí)需檢查無漏氣且管道內(nèi)部經(jīng)過清潔處理然后燒制成如下圖1所示設(shè)計(jì)圖。

4.1.2設(shè)計(jì)制作方案2。

它適用于中學(xué)物理課堂教學(xué)。它們分別由：被抽玻璃瓶，玻璃活塞，真空橡皮管，真空抽氣筒(可抽至粗真空區(qū)域)構(gòu)成。所有玻璃器件在制作時(shí)需檢查無漏氣且管道內(nèi)部經(jīng)過清潔處理。然后進(jìn)行燒制并用環(huán)氧樹脂粘接而成，如下圖2所示設(shè)計(jì)圖。

4.2演示儀的使用說明

4.2.1方案1的演示說明

根據(jù)方案l設(shè)計(jì)圖(如圖1)，玻璃活塞K(m₁)，k，關(guān)閉，熱偶規(guī)管與熱偶真空計(jì)連接好并開啟電源，開啟機(jī)械泵電源對被抽容器抽真空，當(dāng)真空度達(dá)到5.0x10-1Pa時(shí)，用高頻火花檢漏儀激發(fā)玻璃被抽容器，觀察輝光放電區(qū)域的范圍及顏色；關(guān)閉活塞K2，緩慢開啟活塞K3使被抽容器真空度由低真空緩慢變?yōu)榇终婵?，與此同時(shí)用高頻火花檢漏儀激發(fā)玻璃被抽容器仔細(xì)觀察壓強(qiáng)的增加與輝光放電區(qū)域的范圍及顏色變化情況。重復(fù)上述過程并將這些現(xiàn)象加以解釋。

演示結(jié)束后，關(guān)閉熱偶計(jì)電源一關(guān)閉活塞K(m₂),K(m₃),關(guān)閉機(jī)械泵電源一打開活塞K(m₁)給機(jī)械泵進(jìn)氣口充氣(讓機(jī)械泵進(jìn)氣口與排氣口均處在大氣壓，以免由于機(jī)械泵進(jìn)氣口與排氣口存在壓強(qiáng)差，大氣將機(jī)械泵油壓人真空系統(tǒng)中)。

4.2.2方案2的演示說明

根據(jù)方案2設(shè)計(jì)圖(如圖2)，開啟玻璃活塞K、將真空橡皮管與真空抽氣筒緊密相連，真空抽氣筒對玻璃被抽容器抽氣(粗真空區(qū)域)，再關(guān)閉玻璃活塞K，用高頻火花檢漏儀激發(fā)玻璃被抽容器，觀察輝光放電區(qū)域的范圍及顏色。從真空橡皮管拔出真空抽氣筒，緩慢開啟活塞K，使被抽容器壓強(qiáng)逐漸升高，與此同時(shí)用高頻火花檢漏儀激發(fā)玻璃被抽容器仔細(xì)觀察壓強(qiáng)的增加與輝光放電區(qū)域的范圍及顏色變化情況。解釋這些實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

4.3演示儀的特點(diǎn)

設(shè)計(jì)制作方案1的成套性好，真空系統(tǒng)直觀性強(qiáng)，演示效果非常好，操作方便同時(shí)還可以拓展真空的獲得與測量等知識。不足之處：制作難度稍大，成本相對較高。

設(shè)計(jì)方案2制作簡單，成本低廉，體積小攜帶方便。不足之處：演示效果不及設(shè)計(jì)制作方案1。

5結(jié)語

隨著時(shí)代的發(fā)展，教育不斷在改革創(chuàng)新，國家對中學(xué)教師的要求越來越高。現(xiàn)在的中學(xué)物理教學(xué)已然不是以往的一味灌輸。只注重“教”而忽視“學(xué)”，已經(jīng)發(fā)展到了要以學(xué)生為出發(fā)點(diǎn)，注重生活中的物理?！皬纳钪衼?，到生活中去”更符合當(dāng)代的物理教學(xué)，這也要求了物理教師不僅要懂得“教”，更要懂得將學(xué)生從生活中引向物理課堂，再將物理課堂中的知識運(yùn)用到生活中去。

作為一名即將走上講臺的準(zhǔn)中學(xué)物理教師更應(yīng)該有遠(yuǎn)見。在不斷學(xué)習(xí)理論知識的基礎(chǔ)上對中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)儀器應(yīng)多加關(guān)注。尤其是一些演示儀器。能設(shè)計(jì)并盡力制作一些演示儀器。以便日后的教學(xué)中提高課堂及實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量，增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的熱忱顯得尤為重要。

我們經(jīng)過實(shí)驗(yàn)觀察。對氣體輝光放電與壓強(qiáng)的關(guān)系進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)出了“壓強(qiáng)與氣體輝光放，電演示器”。對于設(shè)計(jì)方案2，我們可以利用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的材料加以制作；對于方案1，我們可以將玻璃管燒制部分交由專業(yè)人員制作，其余部分自己安裝調(diào)試。

總之，設(shè)計(jì)制作演示實(shí)驗(yàn)教具，可以不斷培養(yǎng)青年教師的創(chuàng)新思維，對提升青年教師的綜合素質(zhì)將起到積極的作用。

參考文獻(xiàn)：

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(欄目編輯：陳潔)