依據(jù)器材 創(chuàng)新設(shè)計

劉成剛

摘 要：教材所介紹的實驗，大多只是原理性的，實際操作時，有時需要特定型號的器材，才會有理想的效果。當現(xiàn)有器材不具備原實驗設(shè)計所達到的效果時，能否利用現(xiàn)有器材，對原實驗設(shè)計進行成功改進或創(chuàng)新，是決定實驗教學能否進行的關(guān)鍵。本文設(shè)計了三種“斷電自感”實驗，就是針對現(xiàn)有器材、易得器材，根據(jù)實驗原理，對實驗進行的4種有效改進和創(chuàng)新的實例。

關(guān)鍵詞：現(xiàn)有器材；易得器材；改進創(chuàng)新；改進效果

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A 文章編號：1003-6148（2016）12-0010-3

教材或教師教學用書中所介紹的實驗，大多只是原理性的。如果僅是按儀器名稱拿來的器材，不一定能達到應(yīng)有的效果，可能還需要特定型號，因此實驗前，有時還需要研究實驗設(shè)計中器材所需的型號或參數(shù)。當實驗室現(xiàn)有器材不能滿足原實驗設(shè)計所需的規(guī)格或參數(shù)時，教師能否立足于現(xiàn)有的器材，對原實驗設(shè)計作適當?shù)母倪M或創(chuàng)新，成為能否實現(xiàn)實驗教學的關(guān)鍵。如果教師把這種過程在學生中再現(xiàn)，無疑也是對學生“科學思維、科學探究”核心素養(yǎng)的凝練。下面以教材設(shè)計的“斷電自感”為例，展現(xiàn)利用現(xiàn)有器材、身邊器材進行創(chuàng)新改進的過程。并對改進效果做了說明。

1 “斷電自感”原實驗設(shè)計

人教版物理選修3-2教師教學用書中，“斷電自感”實驗設(shè)計電路如圖1。當開關(guān)S閉合后，B燈亮（二極管D2導通），A燈不亮（二極管D1截止）；當開關(guān)斷開后，B燈不亮（二極管D2截止），A燈亮（二極管D1導通）[1]。下面是按圖1設(shè)計的電路圖和實驗室現(xiàn)有器材進行的系列實驗。

2 利用實驗室現(xiàn)有器材進行實驗

實驗室中有存量較大的J2426型小型變壓器，于是筆者想到用J2426型240匝線圈（連同鐵芯）作為自感線圈，小燈泡規(guī)格用2.5 V，0.3 A。按圖1進行實驗，結(jié)果當干電池電源電動勢為3.0 V時，開關(guān)閉合， B燈正常發(fā)光，A燈不亮；開關(guān)斷開后，B燈熄滅，A燈不曾亮。電源電壓增至6 V以上時，B燈或二極管D2將被燒壞，實驗不成功。

3 原因分析

J2426型小型變壓器240匝線圈，其自感系數(shù)約為150 mH，直流電阻RL為5 Ω，二極管的正向電阻約為4 Ω，二極管反向電阻約為1.4 MΩ，小燈泡發(fā)光時的電阻約為6 Ω。

B燈正常發(fā)光，電路穩(wěn)定后，自感線圈中的電流IL（約0.6 A）大于A燈正常發(fā)光的電流（0.3 A），但由于線圈的自感系數(shù)（約150 mH）偏小，線圈和A燈構(gòu)成的回路的馳豫時間τ=L/R（R為回路總電阻）[2]較短（約為0.01 s），因此電源斷開后，電流降低過快，相應(yīng)維持能使A燈發(fā)光的電流的時間過短，燈絲溫度升高的不夠，致使A燈不能發(fā)光。

4 方案改進

4.1 改進方案1

仍以J2426型小型變壓器240匝作為自感線圈，在D2所在支路加一適當分壓的電阻R，其他不變，以增加直流電源的電動勢。如圖2，這樣閉合開關(guān)、D2支路小燈泡正常發(fā)光時，電感線圈支路的直流電流將增大，由于線圈和A燈構(gòu)成的回路的馳豫時間不變，從而增大自感電動勢，這樣斷開電鍵的瞬間，就能使燈發(fā)光甚至閃亮。

4.2 改進方案2

仍以J2426型小型變壓器240匝作為自感線圈，將圖1中D1和D2的一般二極管改為發(fā)光二極管，去掉燈泡，以免去考慮燈泡發(fā)光所需的所謂“熱惰性”的困擾，如圖3所示。

5 改進后的實驗效果

5.1 方案1效果

圖2中，分壓電阻R為10歐，電源電動勢為6 V，開關(guān)閉合后，B燈亮，A燈不亮，開關(guān)斷開后，B燈熄滅，A燈亮一下熄滅，實驗達到理想效果。

需要說明的是：燈能否發(fā)光不是單純看馳豫時間，關(guān)鍵是看在大于或等于燈的發(fā)光電流的這段時間內(nèi)電流做的功，這段時間內(nèi)電流的有效值越大，時間越長，燈就越可能發(fā)光。例如：按圖2，用J2423型變壓器400匝（自感系約為193 mH ， 直流電阻約為2歐姆）做自感線圈，干電池電壓為3 V時，燈即可正常發(fā)光，電流可達約1.5 A，馳豫時間0.016 s，超過了改進方案1中J2426型小型變壓器240匝的參數(shù)，但事實上，開關(guān)斷開后，A燈卻并未見亮。實驗發(fā)現(xiàn)：電源電壓要調(diào)到6 V，才能使開關(guān)斷開后，A燈瞬間發(fā)光，而且會閃亮一下熄滅。因此，仍需按方案1中的圖2進行。但用它的缺點是，器材笨重，實驗室數(shù)量有限，不方便做線路板。

顯然，對于直流電阻較大的自感線圈，單靠按方案1增加電動勢是不方便的。以J2423型可拆變壓器800匝（自感系數(shù)約為780 mH，直流電阻為20歐姆）做電感線圈為例。實驗表明把電源電動勢增加到25 V時，斷開電路瞬間， A燈還不見亮，若繼續(xù)增加直流電壓，顯然是不現(xiàn)實的。

5.2 方案2效果

圖3中，兩二極管為紅色發(fā)光二極管，干電池電壓為3 V，閉合電鍵，D2亮度十足，斷開電鍵，D2熄滅，D1閃亮后熄滅，實驗也達到理想的效果。

6 其他器材參數(shù)及改進

6.1 剃須刀充電變壓器線圈做自感線圈的電路設(shè)計改進

出于好奇，筆者將剃須刀內(nèi)的小型充電變壓器的一組線圈（其自感系數(shù)L約為28.7 mH ，直流電阻為10 Ω）用方案2做實驗。結(jié)果電源用3 V的干電池，實驗基本成功，只是電鍵斷開后，D1沒有斷開前D2亮。

改進方法是：在D2支路加一個5 kΩ左右的電阻R，結(jié)果是，在電源電壓仍為3 V時，電鍵斷開后的D1要比斷開前D2亮些，達到閃亮的效果（如圖4）。

6.2 J2426型小型變壓器120匝做自感線圈的電路設(shè)計改進

如果自感線圈直流電阻過小，電路穩(wěn)定后，會被自感線圈支路造成短路，使得電鍵閉合后，D2亮一下即熄滅了。電鍵閉合、斷開，二極管交替閃爍發(fā)光。如用J2426型小型變壓器120匝做自感線圈（其自感系數(shù)為49 mH，直流電阻為1.2 Ω）就會出現(xiàn)此情況。

改進的方法是：在電感線圈支路加適當電阻。如用J2426型小型變壓器120匝做自感線圈（如圖5），R1取2～5 Ω，R2取150～300 Ω，干電池電壓為3 V，實驗可取得顯著效果。

以上實驗，均用小型變壓器的線圈充當自感線圈，體型小，器材易得，方便制作線路板，為學生進行探究分組實驗提供了可能。

7 啟 示

看似原理簡單的實驗，不親自去實踐，很難知道其中隱藏的奧妙。只有在實踐中才能發(fā)現(xiàn)問題，只有在理論指導下的對實踐的科學分析，才能使研究有的放矢，找到有效改進實驗的措施，增加取得實驗成功的概率。

不拘泥于教材的設(shè)計，立足現(xiàn)有器材，注重理論分析，進行改進和創(chuàng)新，不僅切實解決了實驗難點，真正發(fā)揮了實驗在物理教學中的價值和作用，提高了課堂教學效果，而且無形中給學生傳遞著求新、求異、求美的意識，有了這種意識，創(chuàng)新思維的培養(yǎng)也就能水到渠成。

參考文獻：

[1]普通高中標準實驗教科書物理（選修3-2） 教師教學用書（第4版）[M].北京：人民教育出版社，2010：35.

[2]程守洙，江之永.普通物理學（第五版）[M].北京：高等教育出版社，1998：364—365.

（欄目編輯 趙保鋼）