以下實(shí)驗(yàn)中要用到的器材為:實(shí)驗(yàn)室小型變壓器(如右圖,設(shè)原、副線圈的匝數(shù)分別是為n1和n2且n1<n2)、干電池若干節(jié)、電阻箱(0~99999Ω)、電鍵、導(dǎo)線若干。
先用歐姆表測(cè)定變壓器1、2和3、4之間的電阻,約為2Ω和4Ω,2Ω的為原線圈,4Ω的是副線圈。
1 自感實(shí)驗(yàn)
自感實(shí)驗(yàn)通常是按圖A電路圖進(jìn)行,閉合S瞬間L2立即亮,L1緩慢亮;斷開(kāi)S瞬間L2立即熄滅,L1過(guò)一會(huì)兒才熄滅。據(jù)兩燈的亮暗程度來(lái)顯示自感現(xiàn)象,當(dāng)然很直觀,但能不能給學(xué)生強(qiáng)度更大的刺激呢?甚至讓學(xué)生留下終生難忘的印象呢?筆者設(shè)計(jì)了圖1所示的實(shí)驗(yàn)。電感用變壓器的副線圈,人兩手握變壓器的兩端。S閉合瞬間以及穩(wěn)定后,人沒(méi)有什么感覺(jué);當(dāng)斷開(kāi)S瞬間,人立即感到被電擊了(因時(shí)間短,通過(guò)人體的電最小,不會(huì)有危險(xiǎn))。此實(shí)驗(yàn)說(shuō)明了兩個(gè)問(wèn)題,一是S閉合瞬間的電動(dòng)勢(shì)比S斷開(kāi)瞬間的電動(dòng)勢(shì)小,二是S斷開(kāi)后因自感有電流通人體。這種用人的神經(jīng)感覺(jué)來(lái)體驗(yàn)物理知識(shí),會(huì)讓學(xué)生終生不忘。日后在生活中遇到自感現(xiàn)象,他們會(huì)運(yùn)用自如,如日常燈原理、給手機(jī)充電時(shí),為什么要先插上電源插頭,再讓充電器另一端接通手機(jī),充電結(jié)束時(shí),為什么要先取下手機(jī),再拔電源插頭。
2 變壓器升降壓實(shí)驗(yàn)
變壓器的原理是電磁感應(yīng)現(xiàn)象,用法拉弟電磁感應(yīng)定律證明變壓公式U1/U2=n1/n2,學(xué)生一般比較容易理解,如僅有證明沒(méi)有實(shí)驗(yàn),學(xué)生會(huì)感到雖然懂了,還是有點(diǎn)不相信,如果設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn),讓學(xué)生親身體驗(yàn)一下,教學(xué)就上升到一個(gè)比較高的層次。
電路如圖2所示,人兩手握變壓器原線圈兩端,斷開(kāi)S瞬間,人沒(méi)有感到被電擊了,說(shuō)明U1較小,然后,人再用手握副線圈兩端,如圖3所示,在斷開(kāi)S的瞬間,人立即感到被電擊了,說(shuō)明U2大。此實(shí)驗(yàn)說(shuō)明變壓器升壓了。
電路如圖4所示,電源接副線圈,人兩手握副線圈兩端,斷開(kāi)S瞬間,人感到被電擊了,說(shuō)明斷開(kāi)S瞬間n2兩端的電壓大;然后人兩手握原線圈兩端,如圖5所示,在斷開(kāi)S的瞬間,人沒(méi)有感到被電擊,說(shuō)明S斷開(kāi)瞬間n2兩端電壓低,即變壓器降壓了。
3 遠(yuǎn)距離輸電線路上電壓損失實(shí)驗(yàn)
如圖B是遠(yuǎn)距離輸電原理圖,用△U表示電壓損失,則輸出電壓U3=U2-△U,這是理論,能不能回歸實(shí)驗(yàn),讓學(xué)生親身來(lái)感受U3小于U2呢?筆者通過(guò)反復(fù)實(shí)踐完成了如下實(shí)驗(yàn)。
如圖6,R是電阻箱,取值99999Ω,電源接變壓器原線圈n1,讓一學(xué)生兩手握n2的1、2兩端,在斷開(kāi)S瞬間,人感到被電擊了,說(shuō)明U12大;然后再讓一學(xué)生兩手握3、4兩點(diǎn),如圖7所示,在斷開(kāi)S瞬間,人沒(méi)有被電擊的感覺(jué),說(shuō)明U34低,此實(shí)驗(yàn)電阻箱取值要大,取值小了,人手握3、4兩端時(shí)仍然會(huì)被電擊。
為安全起見(jiàn),以上實(shí)驗(yàn)筆者是通過(guò)自身的反復(fù)實(shí)驗(yàn)、反復(fù)感受后才進(jìn)課堂讓學(xué)生做的,我用的變壓器匝數(shù)比為32/8,電源用干電池不會(huì)有危險(xiǎn)。中學(xué)物理每一個(gè)知識(shí)點(diǎn)幾乎都能找到讓學(xué)生親身體驗(yàn)的實(shí)驗(yàn),如講授光的偏振時(shí),教師外出旅游看立體電影時(shí),把所戴眼鏡帶回來(lái),取下兩鏡片,讓學(xué)生對(duì)著光源,轉(zhuǎn)動(dòng)兩鏡片,就能看到亮度的周期性變化。在講授超重、失重時(shí),讓學(xué)生手握亞鈴做豎直面的來(lái)回?cái)[動(dòng),學(xué)生體會(huì)到在豎直圓周運(yùn)動(dòng)最低點(diǎn)手更痛,說(shuō)明亞鈴對(duì)手的拉力大于重力,物理來(lái)自生活,我們不可能事事在生活中去學(xué)物理,但我們總可以用實(shí)驗(yàn)來(lái)再現(xiàn)生活,從實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象中抽取物質(zhì)之理。