中学物理“气体导电”的探究性学习

2022-09-10

新课程高中物理教材电磁学部分的各章节中, 频繁涉及了各类物质导电现象。如“恒定电流”章节中, 介绍了导线中的金属导电、电解液导电。半导体导电在晶体二极管, 光敏电阻、热敏电阻中亦有介绍。气体导电现象在各种尖端放电现象, 电弧放电现象, 日光灯氖管内的辉光放电中都有涉及。对金属导电和电解液导电的基本机理, 教材已清楚阐明, 半导体的导电机理亦作了简单介绍。遗憾的是对气体导电的机理未能作浅显易懂的介绍说明, 以至学生对其颇存疑问。第16届气体放电及其应用国际会议2006年在中国的首次召开, 也吸引了学生的注目。不少学生向老师求教, 而且各种气体导电现象在生活中也有广泛存在和应用, 所以有必要组织一个教学尝试, 引领学生初步探索气体导电的有关问题和知识。

美国和欧洲很多国家的中学物理课程, 都具有广而浅的引领特征, 这点与我国传统高中物理教学形成鲜明反差, 幸好新课程正对这方面的不足逐步改革。新课程涉及的学科内容扩展得更为广泛, 科学的探究式学习方式, 更能激活学生的思维和加深过程的体验, 帮助学生形成良好的自主学习和科学探究能力。这也是新课改的一个基本理念。高中学生已经具备一定的知识平台、思维发展和能力基础, 加之教师有效的组织引导, 完全可以进行这样的探索尝试。在这种探索学习过程中提高自己的科学素养, 培养敢于探索的精神和严谨求实的科学态度, 是一次很好的科学教育。

1 教学探索过程

1.1 现象呈现, 问题凸显

让学生呈现了解到的生活中的各种气体放电现象:

静电现象演示实验中起电器的尖端放电, 空中的雷电, 大型开关断电时电弧放电现象, 照明光源中的各种气体放电灯, 如日光灯、霓虹灯等等。老师辅助展示准备好的视频资料, 介绍新科技产品:等离子彩电, 反应气体放电制备纳米复合薄膜等。

在学生对各类气体放电现象有一个整体感知的基础上, 对这一种客观存在的普遍放电形式, 希望了解以下问题:气体导电有什么特点?气体导电与什么因素有关?气体导电的机理是什么?我们就这些方面作初步探索。

首先回顾已学过的几种导电方式, 找出它们的共同之处, 看对我们的探索方向有什么帮助。

1.2 已有知识基础

金属导电:金属中大量自由电子, 在外电压即外电场电场力作用下定向移动形成电流。其导电性能与金属材料 (自由电荷密度) , 温度等因素有关。

液体导电:电解质的水溶液或熔解的电解质中电离的正离子和负离子, 在外加电场作用下, 正负离子定向移动形成电流。导电性能与溶液中自由移动的离子浓度大小有关。

半导体导电有两种方式:电子导电和空穴导电。半导体导电的载流子有电子也有带正电的空穴, 在外加电场下定向移动形成电流, 但是纯净的半导体导电性差, 如果被加热或受到光照会增加载流子浓度提高其导电性。

引导学生对比归纳这几种物质导电的共同点?

产生电流必须有两个条件: (1) 可以自由移动的自由电荷, (2) 要有使自由电荷定向移动的力 (外电场) 。影响导电性能的有导体内自由电荷密度, 外电场的强弱等因素。

1.3 鼓励猜想

气体导电与什么因素有关?

通过生活现象和其他几种导电方式的类比, 引导学生大胆猜想, 充分挖掘出猜想因素:气体内也有自由电荷?气体导电与气体内的自由电荷数目 (密度) 有关?与外电压?气体种类?温度?气体压强是否有关?外电压越大导电能力越强?温度越高导电能力越强?

我们应该多进行这方面的训练, 终极目的不在于得到何种既定答案, 而在于鼓励学生去探索, 去思考, 去发现, 学生如果养成了独立思考、善于探索的习惯, 这种学习态度将使他终生受益。

1.4 实验探索尝试

鉴于气体导电的复杂性, 老师可引导学生设计实验方案, 指引思路, 准备好器材。

(1) 自然状态下常压气体, 实验装置如图, 电流计, 两金属电极A、K接入直流高压电源。

试验现象:电流计指针不偏转,

表明:没有电流流过电流计, A、K间气体未导电。

(2) 试验装置同1, 但在两金属电极A、K之间置入一火焰。

试验现象:电流计指针开始偏转,

表明:电路中已有电流产生, A、K间气体已导电。

(3) 撤去火焰, 试验装置换用能产生上万伏高压的高压感应圈, 电流计换为量程较大的电流表。

试验现象:电流表指针偏转很大,

表明:A、K间气体已导电, 有明显电流。

改进:把平行板金属电极换成两金属球。

试验现象:两金属球之间可以看到明显的放电火花。

表明:两金属球间气体放电强度增大。

(4) 把实验1中的电极和常压气体, 换为封闭在真空玻璃管中的低压稀薄气体, 两个金属电极在玻璃管中, 其他条件不变。

试验现象:电流计指针偏转, 管内气体发光。

表明:电路中有电流产生, 管内气体已导电。

这几个实验可以初步探索影响气体导电的因素。

2 实验分析, 理论初探

初步分析:由实验1可知, 在通常情况下气体是不导电的, 说明常态下气体是由不带电的分子或原子组成的, 没有“自由电荷”。但当有外界刺激如实验2火焰加热, 或加上足够大电压如实验3时, 气体导电了。说明在这些条件下气体中出现了“自由电荷”。实验4表明气体的导电性还与压强有关, 气压越低, 气体越稀薄越易导电。另外通过实验3的两种不同形状电极中间气体放电对比, 我们发现气体导电与电极形状也有关系。

在上面实验探索的基础上进一步给学生做简单的理论分析。

通常情况下气体是由不带电的分子或原子组成的, 仅有极少量的离子, 所以一个大气压附近的气体是很好的绝缘体。但当气体中有足够多的离子和自由电子存在时, 在气体中就能产生电流, 即气体放电。气体分子转变为离子和自由电子的过程称为气体的电离, 电离后的气体就成为导体。按电离发生的原因, 气体放电可分为受激放电和自激放电两种。

用火焰将气体加热, 或用紫外线、X射线等放射性射线照射气体, 都能使气体发生电离而导电, 称为“受激放电”, 如“实验2”。火焰、紫外线等称为电离剂。在电离剂的作用下, 气体中一部分原子或分子在吸收了电离剂所辐射的足够大的能量后, 电子就能离开气体原子或分子, 产生电子和正离子。正离子和电子在电场中沿相反方向运动形成电流。这时气体导电机构主要是正、负离子, 而不是自由电子。受激放电电流大小与电离剂的强度和外电场强度有关。

当两电极之间的电压增加到一定数值时, 气体中的电流将急剧增加, 这时即使移去电离剂, 放电现象仍能维持, 这时的放电现象称为“自激放电”, 如“实验3”。此时正离子在强电场中已能获得足够的能量, 当正离子到达阴极与阴极碰撞使阴极发射电子, 新的电子在强电场中加速后, 又与原子或分子碰撞, 引起电离。这就引起链式发展的碰撞电离, 正离子电子对数目急剧增长形成大电流。在自激放电过程中, 因为负离子不易形成, 正离子的速度远比电子小, 所以自激放电的主要机构是电子。气体自激放电一般需要较高的电压, 放电特性取决于气体的种类、压强、电极材料及形状、电极温度等多种因素, 并伴有声光现象发生。生活中气体自激放电的存在和应用比较广泛。

下面介绍几个自激导电的实例:

(1) 辉光放电——是一种低气压稀薄气体或蒸气的自激放电, 如“实验4”。极间电压较高 (千伏左右) , 电流强度较小 (约几毫安) , 温度不高。其特征是放电管中呈现瑰丽的发光现象, 辉光的颜色随气体而异, 装氦气能发出黄色光, 氖气发红光, 氩气则发蓝光等。日光灯、霓虹灯的发光都属于这种辉光放电。

(2) 弧光放电——弧光放电是在常压下气体中的放电现象。放电时有很强的电流, 产生高温, 能发射出耀眼的白光。

如图五所示:把两条碳棒分别与直流电源的正负极连接, 两棒互相接触再少许分开, 热电子从阴极溢出轰击阳极, 速度很大的电子冲击两极间的气体发出强烈光束, 棒间气体便形成强烈的弧形白光。

利用弧光放电现象可以做成强光源如弧光灯及探照灯光源。当两极改为金属时, 则可作为强热源如电焊机焊接金属。在高压开关电器中, 由于触头分开而引起电弧, 有烧毁触头的危害作用, 必须采取措施如装在绝缘油中, 避免电弧危害。

(3) 火花放电

在弧光放电中, 阴极温度高能发射热电子, 所以两极间容易导电。如果改用两个冷电极, 则在一般电压下, 气体是很好的绝缘体而不能导电, 但当两极间的电压大到一定值时, 气体便能导电而成火花放电, 如“实验3”ㄢ

火花放电是由于强电场下空气被击穿, 瞬间形成强大的电流, 强烈地发光发热, 伴有火花和爆裂声。由于气体击穿后电流强度猛增而电源功率不够, 电压随即下降, 放电暂时熄灭, 电压恢复后又进行放电。因此, 火花放电具有间歇性。天空中的闪电就是大规模的火花放电现象。火花放电可用于进行金属加工, 钻细孔。火花放电也是引起静电危害的主要原因。

总起来看, 气体导电比较复杂, 其伏安特性不满足欧姆定律。而且气体中的自由电荷“正离子和负离子、电子”三者都有, 一定条件下在外电场的作用下做定向移动, 从而形成了气体导电中的电流。

3 了解科学史, 科技与社会的应用

互动开放模式:学生通过查找资料, 了解科学发展历程, 关心科技与生活与社会的重要联系。学生收获很大, 开阔了视野, 了解到了很多科学知识, 也更加关注科学的发展动态。自从气体放电现象在1675年被发现, 有关气体放电以及与相关科学的研究发展经历了三个世纪, 并取得了丰硕的成果。而在近100年关于气体导电的研究更直接导致了粒子物理学的深入发展。人类对等离子体的认识就始于19世纪30年代对气体辉光放电现象的研究, 由于气体放电是获得等离子体的主要手段, 现在已经发展为——气体放电等离子体物理学, 在高新科技上有非常重要和广泛的研究应用。

4 结语

今天对气体导电问题的初步探索, 只是掀开了气体导电神秘面纱的一角, 要解开它的真正奥秘, 还有待于同学们今后更深层的学习探索和研究。“闻见广则聪明辟, 胜友多而学易成”。希望学生们能通过这样的活动增长见识, 走近科学, 提高自己的科学素养和探索能力, 也希望在教学一线的教师能多组织, 引导学生多参与这类活动, 多关注科学和科技发展, 将来早日走上科学舞台。

摘要：新课程高中物理教材电磁学部分的各章节中, 频繁涉及到了各类气体导电现象, 但对其机理未能作简单介绍。有必要组织一次探究性学习, 引领学生初步探索气体导电的有关问题和知识, 培养学生的探索兴趣, 帮助学生形成良好的科学探究方法。

关键词：气体导电,气体放电现象,实验设计,受激放电,自激放电