簡易特斯拉線圈在中學物理教學中的應用

賀盼盼 沈宏君

摘 ?要 在新課標指導下，越來越多的物理教師意識到給學生引入課本以外的物理知識和實驗是十分重要的：一是可以讓學生了解課本以外的物理世界;二是可以讓學生了解物理的廣泛應用并激發(fā)學習興趣。介紹制作的簡易特斯拉線圈點亮節(jié)能燈的實驗及其原理，并探討其在中學物理教學中的應用，希望能通過此類研究給廣大物理教師一些參考和啟示。

關鍵詞 特斯拉線圈;中學物理;實驗

中圖分類號：G633.7 ? ?文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2019）13-0124-03

1 前言

尼古拉·特斯拉是世界知名的美籍塞爾維亞裔發(fā)明家、物理學家、電機和機械工程師，他對當今諸多理論和技術有著卓越的貢獻，如電力傳輸、理論物理、無線電通信等。另外，他的大部分發(fā)明仍在當今世界有著重要應用，如交流電發(fā)電機、輻射能量接收器、特斯拉變壓器等。他推廣了交流電并以此贏得“電流之戰(zhàn)”的勝利，讓交流電得到廣泛應用。1889年，他發(fā)明了無線傳電的方法，特斯拉線圈應運而生。為了紀念他，磁感應強度的單位以他的名字命名，這肯定了他在電磁學方面的卓越貢獻。

2 簡易特斯拉線圈的電路設計

簡易特斯拉線圈的基本電路由一個9 V電池、22 kΩ電阻、2N2222A三極管、手工繞制的次級線圈和初級線圈組成，其電路圖如圖1所示。在制作簡易特斯拉線圈的過程中，成功的案例如圖2所示，節(jié)能燈被點亮;也有失敗的案例，如圖3所示，節(jié)能燈不亮。分析整個電路得知，電路連接正確，是由于纏繞的次級線圈的匝數(shù)不夠造成的。因此，在增加次級線圈匝數(shù)以及PVC管的直徑后，接通電路就可以無線點亮節(jié)能燈，但此實驗仍存在缺陷，就是耗能太快。

3 特斯拉線圈的工作原理及用途

特斯拉線圈的工作原理

1）火花間隙特斯拉線圈的工作原理?；鸹ㄩg隙特斯拉線圈相對于其他傳統(tǒng)的特斯拉線圈構造和原理較為簡單。它的原理是用變壓器使普通電壓升壓，然后經(jīng)由兩極線圈，從放電終端放電的設備[1]。分析圖4可知，首先，電源對電路輸入交流電，接著經(jīng)過變壓器升壓至2000 V以上，然后經(jīng)由四個高壓二極管組成的全波整流橋，目的是將升壓后的交流電轉換成單一方向的電流給主電容C1充電，當主電容的電壓超過打火器間隙的閾值，就會擊穿打火器間隙的空氣，從而接通電路，這時主電容C1和初級線圈L1就構成一個LC振蕩回路儲存能量，并可以通過耦合傳遞到次級線圈L2。放電頂端和地面形成的一個對地等效電容C2和次級線圈L2也會形成一個LC振蕩回路。當初級回路和次級回路的LC振蕩頻率相等時，在打火器打通的時候，初級回路的能量會涌到次級，放電端的電壓峰值會不斷增加，直到放電[2]。

2）簡易特斯拉線圈的工作原理。簡易的特斯拉線圈不同于火花間隙特斯拉線圈用兩個LC電路并通過線圈耦合傳遞能量，而是利用三極管并通過線圈傳遞能量。從圖1可知，首先，簡易特斯拉線圈選用的是普通的9 V電池為電源，開關閉合時，電流通過電阻和三極管的串聯(lián)電路輸送至初級線圈。其中，三極管是一個放大電流的器件，但和電阻串聯(lián)就可以放大電路的電壓，所以初級線圈的電壓增大，就可以產(chǎn)生更多的能量。然后通過線圈的耦合作用，將能量傳遞給次級線圈，當次級線圈能量達到一定程度，就會通過放電頂端放電。最后將節(jié)能燈靠近接通的特斯拉線圈，就可以看到燈亮了，如圖2所示。這是由于能量被傳輸?shù)酱渭壘€圈后，次級線圈可以產(chǎn)生電場，使得燈管內(nèi)的氬氣及水銀蒸汽被電場電離，從而使節(jié)能燈在不接電源的情況下實現(xiàn)無線點亮。

特斯拉線圈的用途 ?特斯拉線圈用途比較廣泛，多用于電子產(chǎn)業(yè)，如利用特斯拉線圈對手機無線充電;也用于電動汽車的研發(fā)，如美國特斯拉公司生產(chǎn)的特斯拉汽車;還可以用于游戲或藝術方面，如利用特斯拉線圈制造閃電。它最有意義的用途是可以實現(xiàn)電能的無線傳輸，如這里介紹的簡易特斯拉線圈無線點亮節(jié)能燈的實驗，并且此方式輸電效率高、自損耗低。但是在實際應用中還有很多困難有待突破，目前還無法將其應用到實際生活中輸送電能。此處介紹的簡易特斯拉線圈功率比較小，因此只能點燃短距離的節(jié)能燈。另外，將此實驗引入中學物理課堂，其簡單易操作，危險系數(shù)低，又能很好地調(diào)動學生學習的興趣和積極性。

4 簡易的特斯拉線圈在中學物理教學中的應用

課中探究 ?物理學是一門以實驗和觀察為基礎的學科，既重視對學生物理知識的傳授，也重視對學生動手能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。人教版高中物理教材中有許多學生必須做的實驗，如用打點計時器研究勻變速直線運動、測定電池的電動勢和內(nèi)阻等。這些實驗在教材中都給出了原理、步驟、研究方法等，學生只需要參照教材即可完成實驗，但是這不能讓學生完全經(jīng)歷科學探究的全過程。因此，教師可以適當引入課本以外的新穎實驗，不僅可以吸引學生主動去探究，還可以鍛煉學生的推理能力、分析問題和解決問題的能力，讓學生經(jīng)歷科學探究的全過程。

表1是簡易特斯拉線圈點亮節(jié)能燈實驗的課堂教學設計，雖然該實驗不是課本中的實驗，也不是學生必須掌握的內(nèi)容，但是對培養(yǎng)學生的科學探究能力和提高學生的學習興趣可以起到一定的幫助作用。

課后延伸 ?新課標要求學生具有學習和研究物理的好奇心與求知欲，關心國內(nèi)外科技發(fā)展的現(xiàn)狀與趨勢，了解物理研究和物理成果的應用[3]。這就要求物理教師在教學設計時注重融入理論和實踐的新成果，并將其放入課堂中以求激發(fā)學生學習物理的興趣和培養(yǎng)學生科技探索的精神，為學生的終身發(fā)展奠定基礎。另外，特斯拉線圈最有前景的用途是實現(xiàn)電能的無線傳輸，這對未來電能的傳輸有著重要的意義。因此，簡易特斯拉線圈點亮節(jié)能燈的小實驗可以放在“電能的輸送”這節(jié)課中作為課后延伸的一部分，讓學生了解特斯拉線圈的應用以及輸送電能的新方式。

“電能的輸送”一課的知識點如圖5所示。在課堂上，教師可以先結合我國輸電工程講解利用輸電線輸送電能時如何降低損耗以及遠距離輸電原理;接著可以結合課本中的“科學漫步”欄目介紹輸電新技術，如直流輸電、超導電纜輸電等已經(jīng)運用的技術;然后讓學生思考除了課本上介紹的輸電技術還有沒有其他的，引導學生猜想無線輸電;再然后展示簡易的特斯拉線圈點亮節(jié)能燈泡的實驗，證明電能可以實現(xiàn)無線傳輸;最后簡要介紹特斯拉線圈的一些歷史以及說明無線傳輸電能仍存在一些困難和阻礙，并鼓勵學生未來可以積極探索輸電新技術。這樣通過簡易的實驗，不僅可以將物理研究成果融入課堂，還可以激發(fā)學生研究物理學的好奇心和調(diào)動學生學習的興趣。

課外實驗 ?現(xiàn)在，許多中學都會成立課外興趣小組，目的是豐富學生的課余生活，培養(yǎng)學生的學習興趣，啟發(fā)學生的創(chuàng)造思維。因此，建立物理實驗興趣小組也是有必要的，這樣可以激發(fā)學生學習物理的興趣，培養(yǎng)學生的科學探究能力以及創(chuàng)造能力。物理實驗興趣小組選擇的最好是課本以外的、易操作的、實驗材料易得的以及和社會科技發(fā)展有聯(lián)系的實驗，如水火箭。

當然，簡易特斯拉線圈點亮節(jié)能燈這個實驗材料簡單、易操作，還和電能輸送有著密切的聯(lián)系，因此將其放入課外學生興趣小組實驗是完全可以的。在課外實驗時，教師可以給學生準備好材料，讓學生自己探究琢磨，并適當給予指導，在完成簡易特斯拉線圈的基礎上，還要讓學生思考影響因素以及改進實驗;還可以將他們的成果展示給全校學生，不僅可以吸引更多的學生參與興趣小組，而且可以提高學生的榮譽感，讓學生對物理產(chǎn)生探索興趣，進一步研究其他實驗，而不限于此類實驗。

5 結語

尼古拉·特斯拉對當今世界有著巨大貢獻，他發(fā)明的特斯拉線圈也有著重要的作用，簡易特斯拉線圈點亮節(jié)能燈就可以很好地體現(xiàn)這一點。將像簡易特斯拉線圈點亮節(jié)能燈這樣的課外實驗放入中學物理教學中是完全可以的，無論是放在課前引入、課后興趣實驗，還是作為一堂實驗課講解，都能激發(fā)學生的學習興趣、了解物理學史的興趣，以及為自身終身發(fā)展做準備。

參考文獻

[1]陳雪禮，陸志恒，劉玉穎.特斯拉線圈及其發(fā)明人[J].物理通報，2015（1）：116-118.

[2]吳慶州，王濤.微型固態(tài)特斯拉線圈尖端放電演示儀[J].物理實驗，2017，37（12）：35-37，44.

[3]中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018.