用一個(gè)電路演示通、斷電自感現(xiàn)象值得商榷

1、用同一電路演示通、斷電自感現(xiàn)象值得商榷唐柏忠 （浙江省余姚市第二中學(xué)浙江余姚）自感現(xiàn)象是一種特殊的電磁感應(yīng)現(xiàn)象。自感現(xiàn)象比較抽象，學(xué)生對(duì)自感現(xiàn)象缺乏感性的認(rèn)識(shí)，為此，教材先通過(guò)演示實(shí)驗(yàn)來(lái)介紹自感現(xiàn)象，然后再分析這一現(xiàn)象，所以這節(jié)課的關(guān)鍵在于做好演示實(shí)驗(yàn)?，F(xiàn)行高中物理教材通過(guò)圖和 圖來(lái)演示通電和斷電自感現(xiàn)象。為了改善實(shí)驗(yàn)效果，許多物理教師提出了不同的改進(jìn)方法，但采用同一個(gè)電路來(lái)演示通電和斷電自感現(xiàn)象注，筆者認(rèn)為值得商榷?，F(xiàn)以教學(xué)儀器與實(shí)驗(yàn)?zāi)甑谄谙睦蠋煹碾娐吩O(shè)計(jì)為例進(jìn)行分析。圖 圖 圖一、 問(wèn)題的提出夏老師采用圖所示的電路進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。采用器材：A1、A2為規(guī)格相同的小燈泡(62V 05A)；L為J2

2、423的可拆變壓器，用紅色的800匝線圈； D1、D2為高亮度發(fā)光二極管； E為6V穩(wěn)壓電源。得到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及分析：(1)通電自感現(xiàn)象演示。調(diào)節(jié)好電路，接通電路時(shí)可以看到，小燈泡A1比發(fā)光二極管D1、小燈泡A2滯后發(fā)光。這一過(guò)程說(shuō)明S接通后，在L中產(chǎn)生了感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)阻礙L中的電流增大，所以跟L串聯(lián)的小燈泡A1最后亮。(2)斷電自感現(xiàn)象演示。斷開S，A1、A2、D1立即熄滅，D2閃亮一下。這一過(guò)程說(shuō)明S斷開時(shí)，L中電流減小，產(chǎn)生了感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)， D2中有感應(yīng)電流流過(guò)，所以D2閃亮一下。A1和A2中也有較小的感應(yīng)電流流過(guò)，只不過(guò)人們的肉眼不易察覺出A1和A2的瞬間閃亮?！癆1和A2的瞬間閃

3、亮”是人們的肉眼不易察覺到，還是A1和A2根本沒有閃亮？筆者認(rèn)為這種用同一電路來(lái)演示通電和斷電自感現(xiàn)象值得商議。自感現(xiàn)象是一種復(fù)雜的電磁感應(yīng)現(xiàn)象，燈泡的電阻、線圈的自感系數(shù)和直流電阻等電路參數(shù)，都影響著電路中的自感電動(dòng)勢(shì)和電流的變化，不可能用同一電路器材來(lái)完美地演示通電和斷電自感現(xiàn)象兩個(gè)實(shí)驗(yàn)。二、 實(shí)驗(yàn)原理、通電自感現(xiàn)象演示通電自感現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)電路如圖1所示。當(dāng)電路接通的瞬間，因A2與R串聯(lián)的電路是純電阻電路，可以認(rèn)為A2的發(fā)光與開關(guān)S合上是同步的。但A1與線圈L串聯(lián)，線圈中的電流從無(wú)到有時(shí)，要產(chǎn)生自感電動(dòng)勢(shì)阻礙其電流的增強(qiáng)，使燈泡A1“滯后發(fā)光”。為了便于說(shuō)明問(wèn)題，我們用圖4所示的電路來(lái)分析，

4、在開關(guān)接通后的任一時(shí)刻，由歐姆定律可得： 積分，處理后可得 （）自感電動(dòng)勢(shì) 圖圖 圖6 由(1)式可知，由于線圈的自感作用，電路中的電流i是由0逐漸增大到穩(wěn)定值，圖5為用圖象表示電流隨時(shí)間的變化曲線，這就是通電自感實(shí)驗(yàn)中，燈泡A“滯后發(fā)光”的原因。在電磁學(xué)中，通常用來(lái)衡量自感電路中電流變化的快慢程度，稱為回路的時(shí)間常數(shù)或馳豫時(shí)間?？梢钥闯?，L越大，R+R+r越小，時(shí)間常數(shù)就越大，這種“滯后發(fā)光”的效應(yīng)就越顯著。2、 斷電自感現(xiàn)象斷電自感現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)電路如圖所示，當(dāng)線圈中電流達(dá)以穩(wěn)定時(shí)，其值為(為計(jì)算方便設(shè)r=O)， 將開關(guān)突然斷開，這時(shí)電路中已經(jīng)沒有外電源，由自感電動(dòng)勢(shì)維持電路中的電流，線圈L與

5、燈泡A組成回路，由歐姆定律可得：積分，處理后可得：（）自感電動(dòng)勢(shì)（）燈泡上的的感應(yīng)電壓（）由()式可知，切斷電源后，由于電感線圈的存在，電路中的電流是由逐漸減小的，圖6為用圖象表示電流隨時(shí)間的變化曲線，這就是燈泡A會(huì)“延遲發(fā)光”的原因。 由于缺少了對(duì)比實(shí)驗(yàn)，時(shí)間上的“延遲發(fā)光” 用肉眼很難判斷，演示的重點(diǎn)放在燈泡的“閃亮”上。從()式可看出，燈泡上的的感應(yīng)電壓最大值oo，只要足夠大，燈泡的感應(yīng)電壓會(huì)超過(guò)原有電壓，就會(huì)出現(xiàn)閃亮。如果從燈泡的電流考慮更為簡(jiǎn)便，當(dāng)>時(shí)，流過(guò)線圈L的原電流o大于燈泡的電流；當(dāng)斷電自感時(shí)，線圈中的電流o不能突變，此電流會(huì)流過(guò)小燈泡慢慢減小，有一小段時(shí)間內(nèi)小燈泡的感

6、應(yīng)電流大于了原電流，這時(shí)小燈泡就會(huì)閃亮。三、實(shí)驗(yàn)器材優(yōu)化與實(shí)驗(yàn)拓展從上面的實(shí)驗(yàn)原理可以看出，在通電自感現(xiàn)象中，為了“滯后發(fā)光”的效應(yīng)顯著，盡量使自感系數(shù)L大，總電阻R+R+r小。但L越大,要求線圈匝數(shù)多，必然導(dǎo)致R大，所以可以考慮采用小阻值的小燈泡。綜合各種因素，L可采用J2425型可拆變壓器中紅色的匝的線圈，并加上閉合鐵芯增加自感系數(shù)，A1、A2采用2.5V、0.3A的小燈泡，這樣的器材組合，在通電實(shí)驗(yàn)中可以明顯觀察到A1比A2“滯后發(fā)光”。在斷電自感現(xiàn)象中，為了能觀察到閃亮，必須使，這里要采用直流電阻較小的的線圈，所以選用的線圈導(dǎo)線要粗；另外，考慮到線圈儲(chǔ)存的能量W=Lo2/2，與L成正比

7、，所以L值又不能太小。綜合各種因素，可采用變壓器中綠色的匝的線圈，它的直流電阻僅為5左右。采用的燈泡電阻要大些，可選用6.V、0.3A的小燈泡。這樣的器材組合，在斷電自感中可以明顯地觀察到小燈泡閃亮后再熄滅。另外從上面分析也可看出，按圖電路演示斷電自感現(xiàn)象時(shí)，經(jīng)過(guò)兩燈泡的感應(yīng)電流沒有比原電流大，所以A1和A2根本不會(huì)出現(xiàn)夏文所說(shuō)的“閃亮”?？傊?，采用同一電路來(lái)演示通電和斷電自感現(xiàn)象無(wú)法做到實(shí)驗(yàn)儀器的優(yōu)化，大大影響了實(shí)驗(yàn)效果。為了使實(shí)驗(yàn)結(jié)果更直觀，可以嘗試應(yīng)用DIS（數(shù)字化信息系統(tǒng)）技術(shù)來(lái)輔助演示實(shí)驗(yàn)。利用電流傳感器、數(shù)據(jù)采集器采集小燈炮的電流信號(hào)，并運(yùn)用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析。如圖7和圖8

8、分別為用電流傳感器采集到的通電和斷電自感時(shí)通過(guò)小燈泡的電流信號(hào)。從顯示的圖象中可以直觀地看出，在通電自感現(xiàn)中，小燈泡的電流慢慢增大。在斷電自感中，小燈泡的電流先反向，然后再慢慢減??；另外，通過(guò)小燈泡的電流有一小段時(shí)間比原電流更大，所以小燈泡會(huì)閃亮一下。為了增進(jìn)實(shí)驗(yàn)的趣味性，我們還可以讓學(xué)生直接感受感應(yīng)電壓。圖中用人體直接替代燈泡，由于選用的線圈直流電阻很小,原線圈中電流相對(duì)較大，斷開開關(guān)，由于自感作用，此電流只能通過(guò)人體慢慢減小，這樣在人體兩端產(chǎn)生的高電壓使人感受到電擊感。如果讓多人串接在電路中，也能產(chǎn)生同樣的效果。如果改用整流器，加上伏電壓，可以使全班同學(xué)體驗(yàn)到電擊感。另外，如果沒有任何旁路，當(dāng)電鍵打開時(shí)，可以觀察到明亮的電火圖7 圖8花。亨利就是這樣發(fā)現(xiàn)自感現(xiàn)象的，現(xiàn)在被廣泛應(yīng)用于電子打火技術(shù)。這些有趣的、感性的實(shí)驗(yàn)給學(xué)生一種奇妙的感覺，引起他們強(qiáng)烈的好奇心，激發(fā)他們探索興趣和求知欲，同時(shí)給學(xué)生留下深刻的印象