摘要：本文从压强与气体辉光放电原理着手，设计了适合于中学物理教学的“压强与辉光放电关系演示仪”，阐述了设计方案，演示仪的构造以及使用方法，并结合物理师范专业特点，总结了设计并制作演示教具的意义。
关键词：压强；辉光放电；演示仪；设计
中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148(2012)2(S)-0048-3
1引言
辉光放电属于气体低气压放电。工作压力一般都低于1x10(h3)a，它的构造是在封闭的容器内放置两个平行的电极板，利用电子将中性原子和分子激发，当粒子由激发态降回至基态时会以光的形式释放出能量。我们利用辉光放电原理以及其现象对辉光放电和压强的关系进行研究，并进行设计适合中学物理教学的实验器材。
2真空知识基础
2.1真空基本概念
在真空科学中，真空是指在给定的空间内低于一个大气压力的气体状态。真空状态与人类赖以生存的大气状态相比较。主要有如下基本特点：
真空状态下的气体压力低于一个大气压，因。此，处于地球表面上的各种真空容器中，必将受到大气压力的作用，其大小由容器内外的压差值而定。
2.2真空区域的划分
真空状态下由于气体稀薄，单位体积内的气体分子数，即气体的分子密度小于大气压力的气体分子密度。处于真空状态下的气体稀簿程度。通常用真空度表示。我们按照不同真空状态下气体压强的不同，对真空区域进行划分以及其对应的气体辉光放电现象(如表1)
3气体辉光放电
3.1气体辉光放电的定义：
通俗的讲，气体辉光放电就是原来不导电的气体经过电子电离、激发变成、导电，同时放出不同光的现象。
3.2气体辉光放电的原理
通常情况下气体不导电，但是在大约为几毫米汞柱(1毫米汞柱约为133.32Pa)的气压下，再利用高压电场，将电子加速，高速电子轰击到稀薄的气体原子上，便使得每个气体原子被分裂为一个带正电的离子和一个或数个自由电子。[4]这样气体原子电离后，便可以形成正负离子。
正离子被反向加速，获得足够大的动能去轰击阴极，这时阴极会产生大量的电子(二次电子)，经过簇射过程使大部分的气体原子被电离，从而产生更多的带电粒子，使得气体导电。
气体分子被电离后不稳定，粒子由激发态降回至基态时会以光子的形式释放出能量，于是我们便看到了辉光。每种气体都有其典型的辉光放电颜色，荧光灯的发光即为一种辉光放电。
3.3气体辉光放电现象及其特点
辉光放电时，电子和正离子分别向阳极、阴极运动，并堆积在两极附近形成空间电荷区，从而形成电流。但是电流强度较小(约几毫安)，电管内有特殊的亮区和暗区，呈现瑰丽的发光现象。而且在正常辉光放电时，两极间电压不随电流变化而变化。
气体发光是由于分子被激发后，激发态的电子不稳定，要向低能及跃迁，同时放出光子。”而看到的颜色更亮度跟放出光子的能量和密度有关系。故不同气体的辉光颜色一般不一样，同种气体放电是也会呈现出明暗不相间的8个大区域：阿斯顿暗区：阴极辉区：阴极暗区：负辉区：法拉第暗区：阳极区或正辉区：阳极暗区；阳极辉区。
4压强与气体辉光放电关系演示仪的设计
4.1演示仪设计方案1
4.1.1设计制作方案
它适用于中学物理实验室实验教学。材料采用K9玻璃管，它们分别由：机械泵(抽至低真空区域)；热偶真空计；被抽玻璃管；K(m1)K(m3)玻璃阀门及高频火花检漏仪构成。所有管道在制作时需检查无漏气且管道内部经过清洁处理然后烧制成如下图1所示设计图。
4.1.2设计制作方案2。
它适用于中学物理课堂教学。它们分别由：被抽玻璃瓶，玻璃活塞，真空橡皮管，真空抽气筒(可抽至粗真空区域)构成。所有玻璃器件在制作时需检查无漏气且管道内部经过清洁处理。然后进行烧制并用环氧树脂粘接而成，如下图2所示设计图。
4.2演示仪的使用说明
4.2.1方案1的演示说明
根据方案l设计图(如图1)，玻璃活塞K(m1)，k，关闭，热偶规管与热偶真空计连接好并开启电源，开启机械泵电源对被抽容器抽真空，当真空度达到5.0x10-1Pa时，用高频火花检漏仪激发玻璃被抽容器，观察辉光放电区域的范围及颜色；关闭活塞K2，缓慢开启活塞K3使被抽容器真空度由低真空缓慢变为粗真空，与此同时用高频火花检漏仪激发玻璃被抽容器仔细观察压强的增加与辉光放电区域的范围及颜色变化情况。重复上述过程并将这些现象加以解释。
演示结束后，关闭热偶计电源一关闭活塞K(m2),K(m3),关闭机械泵电源一打开活塞K(m1)给机械泵进气口充气(让机械泵进气口与排气口均处在大气压，以免由于机械泵进气口与排气口存在压强差，大气将机械泵油压人真空系统中)。
4.2.2方案2的演示说明
根据方案2设计图(如图2)，开启玻璃活塞K、将真空橡皮管与真空抽气筒紧密相连，真空抽气筒对玻璃被抽容器抽气(粗真空区域)，再关闭玻璃活塞K，用高频火花检漏仪激发玻璃被抽容器，观察辉光放电区域的范围及颜色。从真空橡皮管拔出真空抽气筒，缓慢开启活塞K，使被抽容器压强逐渐升高，与此同时用高频火花检漏仪激发玻璃被抽容器仔细观察压强的增加与辉光放电区域的范围及颜色变化情况。解释这些实验现象。
4.3演示仪的特点
设计制作方案1的成套性好，真空系统直观性强，演示效果非常好，操作方便同时还可以拓展真空的获得与测量等知识。不足之处：制作难度稍大，成本相对较高。
设计方案2制作简单，成本低廉，体积小携带方便。不足之处：演示效果不及设计制作方案1。
5结语
随着时代的发展，教育不断在改革创新，国家对中学教师的要求越来越高。现在的中学物理教学已然不是以往的一味灌输。只注重“教”而忽视“学”，已经发展到了要以学生为出发点，注重生活中的物理。“从生活中来，到生活中去”更符合当代的物理教学，这也要求了物理教师不仅要懂得“教”，更要懂得将学生从生活中引向物理课堂，再将物理课堂中的知识运用到生活中去。
作为一名即将走上讲台的准中学物理教师更应该有远见。在不断学习理论知识的基础上对中学物理实验仪器应多加关注。尤其是一些演示仪器。能设计并尽力制作一些演示仪器。以便日后的教学中提高课堂及实验教学质量，增强学生学习物理的热忱显得尤为重要。
我们经过实验观察。对气体辉光放电与压强的关系进行分析，设计出了“压强与气体辉光放，电演示器”。对于设计方案2，我们可以利用实验室现有的材料加以制作；对于方案1，我们可以将玻璃管烧制部分交由专业人员制作，其余部分自己安装调试。
总之，设计制作演示实验教具，可以不断培养青年教师的创新思维，对提升青年教师的综合素质将起到积极的作用。
参考文献：
[1]迈克尔，A.力伯曼、阿伦J.里登伯格，等离子体放电原理与材料处理科学出版社2007
[2]华中一编著。真空技术基础[M]。上海，科学技术出版社，1958
[3]赵宝升编著，真空技术[M]。北京，科学出版社，1998
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[5]刘学惑，阴极电子学[M].北京，科学出版社，1980
[6]R，enchtli RCI，Hollow cathode gas discharge device；U SPatent,3831052[p]，2005-01-08
[7]陈宗柱、高树香，气体导电[M]，南京工学院出版社，1988，
(栏目编辑：陈洁)