自感現(xiàn)象演示實(shí)驗(yàn)的教學(xué)設(shè)計(jì)

程 柏

(新疆兵團(tuán)第七師高級(jí)中學(xué)，新疆 奎屯 833200)

1 傳統(tǒng)自感演示實(shí)驗(yàn)的不足

新教材[1]繼承傳統(tǒng)自感演示實(shí)驗(yàn)，通過(guò)演示通電自感現(xiàn)象中燈泡的延遲發(fā)光和斷電自感現(xiàn)象中燈泡的閃亮現(xiàn)象，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)自感電動(dòng)勢(shì)對(duì)電流變化的阻礙作用.通電自感和斷電自感的實(shí)驗(yàn)電路如圖1所示.其中，對(duì)于通電自感[圖1(a)]，當(dāng)接通開(kāi)關(guān)S，可觀察到燈泡A2立刻發(fā)光，而燈泡A1逐漸變亮，由此可知，線圈產(chǎn)生的自感電動(dòng)勢(shì)阻礙了電流的增加；對(duì)于斷電自感[圖1(b)]，當(dāng)斷開(kāi)開(kāi)關(guān)S后，可觀察到燈泡A閃亮后熄滅，說(shuō)明電感線圈L和燈A組成的回路中在外接電源已斷開(kāi)的情況下，還有電流通過(guò),這是由于線圈中在斷電時(shí)產(chǎn)生的自感電動(dòng)勢(shì)阻礙電流減小所致，即線圈中電流不是突變?yōu)?.以上演示實(shí)驗(yàn)在課堂實(shí)踐中存在以下問(wèn)題：

1)通電自感和斷電自感現(xiàn)象分別通過(guò)2個(gè)不同線圈在不同電路中演示得到，容易導(dǎo)致學(xué)生產(chǎn)生圖1(a)所示電路只能產(chǎn)生通電自感，圖1(b)所示電路只能產(chǎn)生斷電自感的錯(cuò)誤認(rèn)知.

2)斷電自感閃亮的條件未從實(shí)驗(yàn)中顯現(xiàn).盡管燈泡閃亮給了學(xué)生感官刺激，但燈泡閃亮是否是因?yàn)榫€圈中的電流突然激增而引起的，斷電自感是否一定會(huì)導(dǎo)致燈泡閃亮，均無(wú)法從圖1(b)中得到答案.

(a)通電自感

3)圖1(b)中燈泡A無(wú)法顯示自感電流的方向，從而不能證明線圈中產(chǎn)生的自感電動(dòng)勢(shì)對(duì)電流減小的阻礙作用.

4)容易讓學(xué)生誤認(rèn)為圖1(b)中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大小與斷電開(kāi)關(guān)動(dòng)作的快慢有關(guān).

圖2 斷電自感的實(shí)驗(yàn)裝置

2 自感演示實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)

2.1 引入自感概念

設(shè)計(jì)演示電路如圖3所示，對(duì)于純電阻電路[圖3(a)]，當(dāng)開(kāi)關(guān)S1接通時(shí)，電流計(jì)指針迅速增大至最大值；當(dāng)開(kāi)關(guān)S1斷開(kāi)時(shí)，電流計(jì)迅速減小至0.用自制線圈替代純電阻得到自感電路[圖3(b)]，重復(fù)以上操作，當(dāng)開(kāi)關(guān)S1接通時(shí)，電流計(jì)指針緩慢增大至最大值，并且越接近最大值，電流增加越慢；當(dāng)開(kāi)關(guān)S1斷開(kāi)時(shí)，理想二極管相當(dāng)于導(dǎo)線，回路中電流變化通過(guò)電流計(jì)顯示為從最大值逐漸減小至0，并且越接近0，電流變化越慢.

(a)純電阻電路

該演示電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、干擾少，通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)，凸顯出自感實(shí)驗(yàn)的本質(zhì)現(xiàn)象，學(xué)生更容易接受純電阻電路中電流可以突變，而通過(guò)電感線圈的電流不能突變，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步思考線圈中電流不可突變的原因，從而順利建立自感概念：當(dāng)線圈中電流變化時(shí)，線圈本身會(huì)激發(fā)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，又稱自感電動(dòng)勢(shì)，根據(jù)楞次定律，自感電動(dòng)勢(shì)會(huì)阻礙線圈中電流的變化，該現(xiàn)象為自感現(xiàn)象.

2.2 確立自感規(guī)律

為了進(jìn)一步加深自感概念的理解，確切看到“延緩熄滅”的規(guī)律，凸顯自感的本質(zhì)，將教材的原始實(shí)驗(yàn)電路改進(jìn)為圖4所示電路.

圖4 改進(jìn)后的演示電路2

為了使得時(shí)間足夠長(zhǎng)，電路中的LED均為16個(gè)發(fā)光二極管并聯(lián)而成的LED組，電流表量程為300 mA.具體操作步驟為：

1)閉合開(kāi)關(guān)S1和S2，調(diào)整滑動(dòng)變阻器R使穩(wěn)態(tài)時(shí)的LED1和LED3亮度相同，斷開(kāi)開(kāi)關(guān)S1.

2)演示通電電感：閉合開(kāi)關(guān)S1，可觀察到電流計(jì)指針A2的偏轉(zhuǎn)速度比A1慢，LED3比LED1亮得緩慢、滯后，以及LED2不亮.

3)演示斷電自感：斷開(kāi)開(kāi)關(guān)S1，可觀察到電流計(jì)A2的指針擺回速度比A1慢，LED3比LED1延緩熄滅，以及斷開(kāi)開(kāi)關(guān)S1的瞬間，LED3變亮后再與LED2同時(shí)熄滅.

以上實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象充分彰顯了自感的本質(zhì)——阻礙電流的變化.

2.3 解惑自感疑難

2.3.1 斷電自感燈泡一定會(huì)閃亮嗎？

新教材中關(guān)于斷電自感燈泡閃亮的實(shí)驗(yàn)，容易給學(xué)生造成“斷電自感就是燈泡一定要閃亮”的前概念，也容易讓學(xué)生形成“是線圈中電流激增導(dǎo)致燈泡閃亮”的錯(cuò)誤認(rèn)知.針對(duì)以上問(wèn)題，設(shè)計(jì)如圖5所示電路進(jìn)行演示[2]，以破除學(xué)生的錯(cuò)誤認(rèn)知.具體操作如下：

圖5 演示實(shí)驗(yàn)電路3

1)調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器R=0，斷開(kāi)開(kāi)關(guān)S，可觀察到燈泡閃亮的現(xiàn)象.這是由于電路處于穩(wěn)態(tài)時(shí)，線圈中的電流大于燈泡中的電流.由于斷開(kāi)開(kāi)關(guān)S后，線圈中的電流不能突變，而是從穩(wěn)態(tài)值逐漸下降，造成回路燈泡中的電流突然比原來(lái)大，從而出現(xiàn)燈泡閃亮的現(xiàn)象，而并非線圈中電流激增引起的.

2)增大滑動(dòng)變阻器電阻R，使線圈支路電阻大于燈泡A的電阻，斷開(kāi)開(kāi)關(guān)S后，未觀察到燈泡閃亮的現(xiàn)象.這是由于電路處于穩(wěn)態(tài)時(shí)，線圈中的電流小于燈泡中的電流，當(dāng)斷開(kāi)開(kāi)關(guān)S后，線圈中電流從穩(wěn)態(tài)值逐漸下降，造成回路燈泡中的電流比原來(lái)小，從而不會(huì)出現(xiàn)燈泡閃亮的現(xiàn)象.

2.3.2 斷電自感引起的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)可任意大嗎？

圖6 演示實(shí)驗(yàn)電路4

2.4 深化自感本質(zhì)

為什么線圈中的電流不能突變？自感現(xiàn)象的本質(zhì)為什么被稱為“電磁慣性”[4]？針對(duì)以上問(wèn)題，本文采用類(lèi)比法，把自感現(xiàn)象及規(guī)律和力學(xué)現(xiàn)象及規(guī)律做了對(duì)比，如表1所示.

表1 自感與力學(xué)的區(qū)別和聯(lián)系

在自感現(xiàn)象中，線圈總是保持自身電流不變，產(chǎn)生的自感電動(dòng)勢(shì)總是反抗自身電流發(fā)生變化，因此線圈中的電流不能突變，只能緩慢變化.自感現(xiàn)象的本質(zhì)是電磁慣性，是慣性概念在電磁學(xué)中的體現(xiàn).

3 結(jié)束語(yǔ)

本文采用4塊自制電路演示板，共用1個(gè)繞制線圈，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)自感實(shí)驗(yàn)的不足，設(shè)計(jì)了更符合物理教學(xué)邏輯、學(xué)生認(rèn)知規(guī)律的實(shí)驗(yàn)流程.演示電路1呈現(xiàn)了自感最本質(zhì)的現(xiàn)象，即線圈中的電流是緩慢變化的，從而順利建立了正確的自感概念；演示電路2呈現(xiàn)了LED緩慢變亮和緩慢熄滅的現(xiàn)象，進(jìn)一步增強(qiáng)了學(xué)生對(duì)自感規(guī)律的理解；演示電路3顯化了斷電自感燈泡閃亮的條件；演示電路4破除了學(xué)生對(duì)自感電動(dòng)勢(shì)大小與開(kāi)關(guān)動(dòng)作快慢有關(guān)的錯(cuò)誤認(rèn)知.另外，本文將自感與力學(xué)從本質(zhì)上進(jìn)行了科學(xué)性的類(lèi)比，深化了學(xué)生對(duì)自感的理解，使學(xué)生既扎實(shí)了基礎(chǔ)知識(shí)，又發(fā)散了科學(xué)思維，并形成了力、電物理本質(zhì)統(tǒng)一的思想，幫助學(xué)生感受物理世界的豐富多彩和簡(jiǎn)單和諧，讓學(xué)生了解物理規(guī)律既具有多樣性，又具有統(tǒng)一性，從而實(shí)現(xiàn)物理學(xué)的美育.