交流电路中白炽电灯是否闪烁的实验研究

在认识交流电的电流方向和大小随时间的周期性变化的特点时，许多资料举例说：接在民用交流电路上的白炽灯在一秒内明暗闪烁100次，而由于人眼的视觉暂留而不能觉察。但笔者认为这种明暗闪烁是不可能存在的。　　白炽电灯的发光原理是：当电流通过灯丝时，电流的热效应使灯丝的温度升高到1700摄氏度以上处于白炽状态而发光（物体温度达到1700℃以上发白光，这种状态叫白炽状态）。民用交流电的周期为0.02秒，电流由最大值变为零所用时间仅0.005秒，在如此短暂的时间里灯丝的温度不可能降低到不能发光的状态，甚至温度的降低是不明显的。通常电灯的灯丝紧密绕成螺旋状就是为了减少散热，而且，功率较小的白炽灯虽然灯丝很细，但灯泡内是真空的，散热较慢;功率较大的灯丝相对粗些，散热也慢。因此，灯丝应该是保持相对稳定的温度而持续发光的，白炽灯是不会闪烁的。　　为了验证以上的分析结论，笔者用数码相机(FUJIs7000)对准通白炽电灯的灯丝拍摄灯丝的发光情况，(事先用高速快门拍摄了电脑的显示器上画面,是水平方向完整分布的窄条纹,说明相机是中心式快门，)具体操作步骤：1，将一只60瓦的白炽灯接在220V的照明电路上，接通电路使之正常发光； 2，把相机安装在三脚架上，使灯丝平面与相机镜头光轴垂直．并调整好距离； 3，将数码相机快门调至1/10000秒，光圈设定为F2.8保持不变，并使用微距模式，对焦准确后将对焦模式调到手动，使焦距固定；4，保持相机的位置不动，随机按动快门，尽量多拍摄(实际拍摄了500幅)；5，将照片存入电脑，仔细比较所有图片，看灯丝的亮度是否一致。图1随机取出的30幅在不调整亮度只调整大小的条件下利用Photoshop组合而成的一张图片。
　　图1 随机取出的30幅灯丝亮度图片　　仔细观察所有图片可以看出：所有的图片中的灯丝亮度存在较小的差异，没有出现明显的亮度差别，更没有一幅图片显示灯丝不亮。可以说明灯丝在交流电路中的亮度是基本稳定的,没有出现通常所说的明暗闪烁现象。　　为了更准确地说明白炽电灯在交流电路中的亮度情况,下面再进一步用CBL(Calculator-Based Laboratory)系统测量出白炽电灯发光强度随时间的变化的实验来进行说明。　　1、实验装置：如图２所示。
　　２、实验操作：将光传感器的探头尽量接近白炽灯，测绘出白炽灯发光强度随时间的变化的图像和数据表。(实验数据由防化指挥工程学院物理教研室孙作江老师提供)　　３、实验结果：　　图（３）白炽灯发光强度随时间的变化图像
　　表（1）实验数据（实际测量了500组，表格列出第101-160组）

组序

时间（s）

强度(mw/cm2)

组序

时间（s）

强度(mw/cm2)

组序

时间（s）

强度(mw/cm2)

101

0.011

0.135101

121

0.013

0.112847

141

0.015

0.120636

102

0.0111

0.133989

122

0.0131

0.111734

142

0.0151

0.121749

103

0.0112

0.132876

123

0.0132

0.111734

143

0.0152

0.122861

104

0.0113

0.130651

124

0.0133

0.111734

144

0.0153

0.123974

105

0.0114

0.129538

125

0.0134

0.111734

145

0.0154

0.125087

106

0.0115

0.128425

126

0.0135

0.111734

146

0.0155

0.1262

107

0.0116

0.1262

127

0.0136

0.111734

147

0.0156

0.128425

108

0.0117

0.125087

128

0.0137

0.111734

148

0.0157

0.129538

109

0.0118

0.123974

129

0.0138

0.112847

149

0.0158

0.130651

110

0.0119

0.121749

130

0.0139

0.112847

150

0.0159

0.131763

111

0.012

0.120636

131

0.014

0.112847

151

0.016

0.132876

112

0.0121

0.119523

132

0.0141

0.113959

152

0.0161

0.133989

113

0.0122

0.11841

133

0.0142

0.113959

153

0.0162

0.135101

114

0.0123

0.117298

134

0.0143

0.115072

154

0.0163

0.136214

115

0.0124

0.116185

135

0.0144

0.115072

155

0.0164

0.13844

116

0.0125

0.115072

136

0.0145

0.116185

156

0.0165

0.139553

117

0.0126

0.115072

137

0.0146

0.117298

157

0.0166

0.140665

118

0.0127

0.113959

138

0.0147

0.117298

158

0.0167

0.141778

119

0.0128

0.112847

139

0.0148

0.11841

159

0.0168

0.142891

120

0.0129

0.112847

140

0.0149

0.119523

160

0.0169

0.144004

　　４、实验分析：如图(３)所示，白炽灯在发光的过程中，发光强度存在着明显的周期性变化。其周期可由表（1）中的数据得出，由于设定的采集时间为0.05秒，即时间轴的长度为0.05秒，图中所示大概为5.5个周期，从而可以估算出，白炽灯的波动周期大概为0.0091秒，即“波动频率”为：5.5/0.05=110Hz。这是因为我们所使用的交流电的频率为50HZ左右，（由于市电频率不稳定，所以具体频率也不太稳定）。　　5、实验结论：表（1）详细的列出了构成图（３）的数据资料，从表（１）相关的数据中可以看出，图中发光强度的最小值并不为零，而仍是很大的值，且发光强度的最小值与发光强度的最大值的比为0.112847:0.154018=0.7329，即电灯最暗时的亮度为最亮时的73%以上；而发光强度的最小值与发光强度的平均值的比为：0.112847:0.130596=0.8645，即电灯最暗时的亮度为平均亮度的86%以上。数据也说明了灯丝在交流电路中的亮度是基本稳定的,没有出现通常所说的明暗闪烁现象。