简易特斯拉线圈在中学物理教学中的应用

    贺盼盼 沈宏君

    

    

    

    摘 ?要 在新课标指导下，越来越多的物理教师意识到给学生引入课本以外的物理知识和实验是十分重要的：一是可以让学生了解课本以外的物理世界;二是可以让学生了解物理的广泛应用并激发学习兴趣。介绍制作的简易特斯拉线圈点亮节能灯的实验及其原理，并探讨其在中学物理教学中的应用，希望能通过此类研究给广大物理教師一些参考和启示。

    关键词 特斯拉线圈;中学物理;实验

    中图分类号：G633.7 ? ?文献标识码：B

    文章编号：1671-489X（2019）13-0124-03

    1 前言

    尼古拉·特斯拉是世界知名的美籍塞尔维亚裔发明家、物理学家、电机和机械工程师，他对当今诸多理论和技术有着卓越的贡献，如电力传输、理论物理、无线电通信等。另外，他的大部分发明仍在当今世界有着重要应用，如交流电发电机、辐射能量接收器、特斯拉变压器等。他推广了交流电并以此赢得“电流之战”的胜利，让交流电得到广泛应用。1889年，他发明了无线传电的方法，特斯拉线圈应运而生。为了纪念他，磁感应强度的单位以他的名字命名，这肯定了他在电磁学方面的卓越贡献。

    2 简易特斯拉线圈的电路设计

    简易特斯拉线圈的基本电路由一个9 V电池、22 kΩ电阻、2N2222A三极管、手工绕制的次级线圈和初级线圈组成，其电路图如图1所示。在制作简易特斯拉线圈的过程中，成功的案例如图2所示，节能灯被点亮;也有失败的案例，如图3所示，节能灯不亮。分析整个电路得知，电路连接正确，是由于缠绕的次级线圈的匝数不够造成的。因此，在增加次级线圈匝数以及PVC管的直径后，接通电路就可以无线点亮节能灯，但此实验仍存在缺陷，就是耗能太快。

    3 特斯拉线圈的工作原理及用途

    特斯拉线圈的工作原理

    1）火花间隙特斯拉线圈的工作原理。火花间隙特斯拉线圈相对于其他传统的特斯拉线圈构造和原理较为简单。它的原理是用变压器使普通电压升压，然后经由两极线圈，从放电终端放电的设备[1]。分析图4可知，首先，电源对电路输入交流电，接着经过变压器升压至2000 V以上，然后经由四个高压二极管组成的全波整流桥，目的是将升压后的交流电转换成单一方向的电流给主电容C1充电，当主电容的电压超过打火器间隙的阈值，就会击穿打火器间隙的空气，从而接通电路，这时主电容C1和初级线圈L1就构成一个LC振荡回路储存能量，并可以通过耦合传递到次级线圈L2。放电顶端和地面形成的一个对地等效电容C2和次级线圈L2也会形成一个LC振荡回路。当初级回路和次级回路的LC振荡频率相等时，在打火器打通的时候，初级回路的能量会涌到次级，放电端的电压峰值会不断增加，直到放电[2]。

    2）简易特斯拉线圈的工作原理。简易的特斯拉线圈不同于火花间隙特斯拉线圈用两个LC电路并通过线圈耦合传递能量，而是利用三极管并通过线圈传递能量。从图1可知，首先，简易特斯拉线圈选用的是普通的9 V电池为电源，开关闭合时，电流通过电阻和三极管的串联电路输送至初级线圈。其中，三极管是一个放大电流的器件，但和电阻串联就可以放大电路的电压，所以初级线圈的电压增大，就可以产生更多的能量。然后通过线圈的耦合作用，将能量传递给次级线圈，当次级线圈能量达到一定程度，就会通过放电顶端放电。最后将节能灯靠近接通的特斯拉线圈，就可以看到灯亮了，如图2所示。这是由于能量被传输到次级线圈后，次级线圈可以产生电场，使得灯管内的氩气及水银蒸汽被电场电离，从而使节能灯在不接电源的情况下实现无线点亮。

    特斯拉线圈的用途 ?特斯拉线圈用途比较广泛，多用于电子产业，如利用特斯拉线圈对手机无线充电;也用于电动汽车的研发，如美国特斯拉公司生产的特斯拉汽车;还可以用于游戏或艺术方面，如利用特斯拉线圈制造闪电。它最有意义的用途是可以实现电能的无线传输，如这里介绍的简易特斯拉线圈无线点亮节能灯的实验，并且此方式输电效率高、自损耗低。但是在实际应用中还有很多困难有待突破，目前还无法将其应用到实际生活中输送电能。此处介绍的简易特斯拉线圈功率比较小，因此只能点燃短距离的节能灯。另外，将此实验引入中学物理课堂，其简单易操作，危险系数低，又能很好地调动学生学习的兴趣和积极性。

    4 简易的特斯拉线圈在中学物理教学中的应用

    课中探究 ?物理学是一门以实验和观察为基础的学科，既重视对学生物理知识的传授，也重视对学生动手能力和创新能力的培养。人教版高中物理教材中有许多学生必须做的实验，如用打点计时器研究匀变速直线运动、测定电池的电动势和内阻等。这些实验在教材中都给出了原理、步骤、研究方法等，学生只需要参照教材即可完成实验，但是这不能让学生完全经历科学探究的全过程。因此，教师可以适当引入课本以外的新颖实验，不仅可以吸引学生主动去探究，还可以锻炼学生的推理能力、分析问题和解决问题的能力，让学生经历科学探究的全过程。

    表1是简易特斯拉线圈点亮节能灯实验的课堂教学设计，虽然该实验不是课本中的实验，也不是学生必须掌握的内容，但是对培养学生的科学探究能力和提高学生的学习兴趣可以起到一定的帮助作用。

    课后延伸 ?新课标要求学生具有学习和研究物理的好奇心与求知欲，关心国内外科技发展的现状与趋势，了解物理研究和物理成果的应用[3]。这就要求物理教师在教学设计时注重融入理论和实践的新成果，并将其放入课堂中以求激发学生学习物理的兴趣和培养学生科技探索的精神，为学生的终身发展奠定基础。另外，特斯拉线圈最有前景的用途是实现电能的无线传输，这对未来电能的传输有着重要的意义。因此，简易特斯拉线圈点亮节能灯的小实验可以放在“电能的输送”这节课中作为课后延伸的一部分，让学生了解特斯拉线圈的应用以及输送电能的新方式。

    “电能的输送”一课的知识点如图5所示。在课堂上，教师可以先结合我国输电工程讲解利用输电线输送电能时如何降低损耗以及远距离输电原理;接着可以结合课本中的“科学漫步”栏目介绍输电新技术，如直流输电、超导电缆输电等已经运用的技术;然后让学生思考除了课本上介绍的输电技术还有没有其他的，引导学生猜想无线输电;再然后展示简易的特斯拉线圈点亮节能灯泡的实验，证明电能可以实现无线传输;最后简要介绍特斯拉线圈的一些历史以及说明无线传输电能仍存在一些困难和阻碍，并鼓励学生未来可以积极探索输电新技术。这样通过简易的实验，不仅可以将物理研究成果融入课堂，还可以激发学生研究物理学的好奇心和调动学生学习的兴趣。

    课外实验 ?现在，许多中学都会成立课外兴趣小组，目的是丰富学生的课余生活，培养学生的学习兴趣，启发学生的创造思维。因此，建立物理实验兴趣小组也是有必要的，这样可以激发学生学习物理的兴趣，培养学生的科学探究能力以及创造能力。物理实验兴趣小组选择的最好是课本以外的、易操作的、实验材料易得的以及和社会科技发展有联系的实验，如水火箭。

    当然，简易特斯拉线圈点亮节能灯这个实验材料简单、易操作，还和电能输送有着密切的联系，因此将其放入课外学生兴趣小组实验是完全可以的。在课外实验时，教师可以给学生准备好材料，让学生自己探究琢磨，并适当给予指导，在完成简易特斯拉线圈的基础上，还要让学生思考影响因素以及改进实验;还可以将他们的成果展示给全校学生，不仅可以吸引更多的学生参与兴趣小组，而且可以提高学生的荣誉感，让学生对物理产生探索兴趣，进一步研究其他实验，而不限于此类实验。

    5 结语

    尼古拉·特斯拉对当今世界有着巨大贡献，他发明的特斯拉线圈也有着重要的作用，简易特斯拉线圈点亮节能灯就可以很好地体现这一点。将像简易特斯拉线圈点亮节能灯这样的课外实验放入中学物理教学中是完全可以的，无论是放在课前引入、课后兴趣实验，还是作为一堂实验课讲解，都能激发学生的学习兴趣、了解物理学史的兴趣，以及为自身终身发展做准备。

    参考文献

    [1]陈雪礼，陆志恒，刘玉颖.特斯拉线圈及其发明人[J].物理通报，2015（1）：116-118.

    [2]吴庆州，王涛.微型固态特斯拉线圈尖端放电演示仪[J].物理实验，2017，37（12）：35-37，44.

    [3]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018.