馬志華 黃春如

(江西省樟樹市第三中學 江西 樟樹 331200)

在“電感和電容對交變電流的影響”這一節(jié)的教材中，要求學生定性認識電感和電容對電流的阻礙作用，書中電感器對交變電流的阻礙作用的大小表述為：線圈的自感系數(shù)越大、交流電的頻率越高，電感對交流電的阻礙作用就越大，線圈的感抗也就越大[1]．但教材中這一部分的實驗卻較少，僅有一個是對比電感對交、直流電流的不同阻礙作用，教材中與上面的表述相對應的實驗，即自感系數(shù)的變化、頻率的變化與感抗關系的實驗卻沒有．由于頻率變化的交流電難以找到，更增加了交流電的頻率變化對電感器感抗影響的實驗難度[2]．為了突破上述難點，我們用手頭的簡易器材做實驗，特別是用直流模擬出交流的效果，用實驗直觀地得出電感器“通直流、阻交流”的結(jié)論，并通過演示明確了電感器對交變電流的阻礙作用與線圈的自感系數(shù)的大小及電源頻率的關系，教學效果明顯．

1 實驗電路

如圖1所示，單刀雙擲開關中心頭接實驗電路，1和2端接交流電源， 3和4端接直流電源．A1和A2為3.8 V小電珠，A1的作用是通過其亮度變化來顯示電路中的電流的強弱變化，從而體現(xiàn)電路中各元件對交流電和直流電的作用情況．A2的作用是檢驗交流電源電壓的有效值與直流電源電壓大小的關系．電感器L的線圈匝數(shù)和鐵芯做成活動式，按電感量大小分為3組，如圖2所示．

圖1

圖2 電感器實物照片

2 實驗裝置

實物裝置如圖3所示，交流電源采用家用多功能電源變壓器(可輸出0～12 V)中的一組線圈，使其輸出的交流電壓約為3.7 V．直流電源采用廢舊手機電池，輸出電壓3.7 V．

圖3 演示儀實物裝置圖

線圈L的制作方法：取線徑0.5～0.6 mm的漆包線約35 m長，繞成半徑約5.5 cm的線圈，可繞100匝．為防止匝間散開，用膠帶纏繞固定．之后，再將100匝的大線圈通過兩次“8”字形扭轉(zhuǎn)，做成一個3大匝的線圈．線圈的鐵芯用廢舊彩電行輸出中的鐵氧體磁芯．將1大匝線圈穿入磁芯，此時線圈的電感較小；將2大匝穿入鐵芯，線圈的電感較大；將3大匝線圈全部穿入鐵芯，線圈的電感最大，如圖2中的(a)、(b)、(c)所示，這樣就做成了一個電感量可變化的線圈．

3 實驗方法

單刀雙擲開關斷開，將變壓器初級線圈接入220 V交流電源．

3.1 驗證交流電源電壓的有效值與直流電源大致相等(等效替代法)

為了比較交流與直流對電感作用的效果，須選擇交流電源電壓的有效值與直流電源電壓值大致相等，精確的方法是用多用電表交、直流擋分別測單刀接入交、直流電源時的電壓值，本實驗設計為等效替代的方法解決上述問題，方案是：圖1中先將小電珠A2連線的兩端插入5和6插孔(此時線圈L不接入電路)，將單刀雙擲開關與交流電源1和2端接通，觀察小電珠的亮度；之后將單刀雙擲開關與直流電源3和4端接通，觀察小電珠的亮度．通過前后交、直流供電小電珠亮度的比較，說明交流電源電壓的有效值與直流電源電壓大致相等．

3.2 驗證電感器“通直流 阻交流” 且電感越大其對交流電的感抗越大(控制變量法)

移開小電珠A2，將線圈L按電感量從小到大的順序接入插孔5和7中，后將單刀雙擲開關分別接通交流電源和直流電源，觀察小電珠A1的亮暗情況．

(1)若單刀雙擲開關接入直流電源，L變化時可發(fā)現(xiàn)小電珠A1的亮度不發(fā)生變化，即電感大小對直流作用無變化；

(2)若單刀雙擲開關接入交流電源，隨著L的變大可發(fā)現(xiàn)小電珠A1的亮度逐漸變暗．圖3實驗電路中的線圈組合與小電珠亮度的對應關系如圖4所示．在這個實驗中，我們還可輕易的將鐵芯從封閉變?yōu)榉蛛x，或從分離變?yōu)榉忾]，引起線圈電感大小的進一步變化，對比小電珠的亮暗可得出電感對交流電的作用結(jié)果．

圖4 隨著自感變大，小電珠亮度變暗

3.3 驗證交流電變化的頻率越大電感器的感抗越大(模擬替代)

為了探究交流電頻率變化對電感的影響，我們試圖用手搖交流發(fā)電機做實驗，當轉(zhuǎn)動快慢變化時，輸出交流電的頻率發(fā)生了變化，但隨著轉(zhuǎn)速的加快，輸出電源的電壓也增大，因而多個變量作用于電感線圈L，形成不了有效的結(jié)論．如何使方向變化而輸出電壓不變呢，我們設計了以下方案：脫開圖1中交流電源與1和2的連接，將單刀雙擲開關中的1和4接線柱、2和3接線柱分別連接，電路圖及實物連線圖如圖5所示．

圖5 電路圖及實物連線圖

這樣，當單刀開關分別與上觸頭1和2，下觸頭3和4交替接通時，電路輸入端5和6兩端電源的極性交替變化，導致A1和L回路中的電流方向交替變化，即用一個直流電源模擬出了交替變化的交流電的效果，隨著單刀開關交替變化的速度加快，即回路中電流變化頻率變大時，小電珠A1的亮度明顯減弱．按照上述思路，我們用廢舊多用電表的擋位轉(zhuǎn)動開關，加工制作了一個可使直流電源極性交替連續(xù)變化的旋轉(zhuǎn)式開關，內(nèi)部電路如圖6所示，應用到上述電路中，效果非常明顯．綜上實驗過程，從而得出結(jié)論：電流交替變化的頻率越高，電感器對交流電的阻礙作用就越大，感抗也就越大．

圖6 旋轉(zhuǎn)式開關的內(nèi)部電路

上述實驗原理簡單，易操作，其中蘊涵的物理思想和研究方法，對提升學生科學素養(yǎng)和實驗設計與動手能力都能起到很好的促進作用．

參考文獻

1 普通高中課程標準實驗教科書.物理選修3-2(第2版).北京：人民教育出版社,2010.37～40

2 丁兵.低頻信號發(fā)生器在感抗、容抗實驗中的應用.物理通報，2008(4)：48～49