用一個電路演示通、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，學生對自感現(xiàn)象缺乏感性的認識，為此，教材先通過演示實驗來介紹自感現(xiàn)象，然后再分析這一現(xiàn)象，所以這節(jié)課的關(guān)鍵在于做好演示實驗?，F(xiàn)行高中物理教材通過圖和 圖來演示通電和斷電自感現(xiàn)象。為了改善實驗效果，許多物理教師提出了不同的改進方法，但采用同一個電路來演示通電和斷電自感現(xiàn)象注，筆者認為值得商榷?，F(xiàn)以教學儀器與實驗年第期夏老師的電路設(shè)計為例進行分析。圖 圖 圖一、 問題的提出夏老師采用圖所示的電路進行實驗。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。得到的實驗現(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。這一過程說明S接通后，在L中產(chǎn)生了感應(yīng)電動勢，感應(yīng)電動勢阻礙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。這一過程說明S斷開時，L中電流減小，產(chǎn)生了感應(yīng)電動勢， D2中有感應(yīng)電流流過，所以D2閃亮一下。A1和A2中也有較小的感應(yīng)電流流過，只不過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？筆者認為這種用同一電路來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勢和電流的變化，不可能用同一電路器材來完美地演示通電和斷電自感現(xiàn)象兩個實驗。二、 實驗原理、通電自感現(xiàn)象演示通電自感現(xiàn)象的實驗電路如圖1所示。當電路接通的瞬間，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)，線圈中的電流從無到有時，要產(chǎn)生自感電動勢阻礙其電流的增強，使燈泡A1“滯后發(fā)光”。為了便于說明問題，我們用圖4所示的電路來分析，

4、在開關(guān)接通后的任一時刻，由歐姆定律可得： 積分，處理后可得 （）自感電動勢 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間的變化曲線，這就是通電自感實驗中，燈泡A“滯后發(fā)光”的原因。在電磁學中，通常用來衡量自感電路中電流變化的快慢程度，稱為回路的時間常數(shù)或馳豫時間?？梢钥闯觯琇越大，R+R+r越小，時間常數(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)象的實驗電路如圖所示，當線圈中電流達以穩(wěn)定時，其值為(為計算方便設(shè)r=O)， 將開關(guān)突然斷開，這時電路中已經(jīng)沒有外電源，由自感電動勢維持電路中的電流，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：（）自感電動勢（）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間的變化曲線，這就是燈泡A會“延遲發(fā)光”的原因。 由于缺少了對比實驗，時間上的“延遲發(fā)光” 用肉眼很難判斷，演示的重點放在燈泡的“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)電壓會超過原有電壓，就會出現(xiàn)閃亮。如果從燈泡的電流考慮更為簡便，當>時，流過線圈L的原電流o大于燈泡的電流；當斷電自感時，線圈中的電流o不能突變，此電流會流過小燈泡慢慢減小，有一小段時間內(nèi)小燈泡的感

6、應(yīng)電流大于了原電流，這時小燈泡就會閃亮。三、實驗器材優(yōu)化與實驗拓展從上面的實驗原理可以看出，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，在通電實驗中可以明顯觀察到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，所以選用的線圈導線要粗；另外，考慮到線圈儲存的能量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，經(jīng)過兩燈泡的感應(yīng)電流沒有比原電流大，所以A1和A2根本不會出現(xiàn)夏文所說的“閃亮”。總之，采用同一電路來演示通電和斷電自感現(xiàn)象無法做到實驗儀器的優(yōu)化，大大影響了實驗效果。為了使實驗結(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)來輔助演示實驗。利用電流傳感器、數(shù)據(jù)采集器采集小燈炮的電流信號，并運用計算機系統(tǒng)進行數(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通過小燈泡的電流信號。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，通過小燈泡的電流有一小段時間比原電流更大，所以小燈泡會閃亮一下。為了增進實驗的趣味性，我們還可以讓學生直接感受感應(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,原線圈中電流相對較大，斷開開關(guān)，由于自感作用，此電流只能通過人體慢慢減小，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，可以使全班同學體驗到電擊感。另外，如果沒有任何旁路，當電鍵打開時，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、感性的實驗給學生一種奇妙的感覺，引起他們強烈的好奇心，激發(fā)他們探索興趣和求知欲，同時給學生留下深刻的印象