潘永祥

(凱里市第一中學(xué),貴州 凱里 556000)

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演示電感和電容對交變電流影響的裝置

潘永祥

(凱里市第一中學(xué),貴州 凱里 556000)

摘要：將電源、電容、電感、電阻及小燈泡安裝在電路演示板上，連接不同的電路，通過燈泡的明暗，可以分別直觀地展示出電感和電容對交變電流的影響，同時也可以探究影響電感感抗大小的因素.

關(guān)鍵詞：電感;電容;交變電流

文獻(xiàn)[1]第5章第3節(jié)內(nèi)容為“電感和電容對交變電流的影響”，在該節(jié)中，設(shè)計了2個演示實驗驗證電感和電容對交變電流的影響. 實驗一能簡單說明電感器對交變電流有阻礙作用，實驗二能簡單說明交變電流能夠通過電容器并且電容器對交變電流有阻礙作用. 但筆者認(rèn)為這2個演示實驗并不能引導(dǎo)學(xué)生突破本節(jié)難點，即 “線圈的自感系數(shù)越大、交流的頻率越高，電感對交流的阻礙作用就越大”和“電容器的電容越大、交流的頻率越高，電容器對交流的阻礙作用就越小”. 通過多次探究和實踐，筆者設(shè)計并自制了電感電容對交變電流的影響演示裝置. 通過課堂教學(xué)實踐證明，該演示裝置演示現(xiàn)象直觀明顯，節(jié)約時間，效率高，能引導(dǎo)學(xué)生掌握重點、突破難點，教學(xué)效果良好.

1電路設(shè)計及選材

電路中，電感、電容對交變電流的影響通過小燈泡的明暗變化呈現(xiàn)，因此該電路采用兩燈泡明暗對比或單只燈泡動態(tài)明暗變化的方式進(jìn)行演示說明，實驗操作簡便快捷，效果直觀明顯. 電路圖如圖1所示.

圖1　電感電容對交變電流影響的演示裝置

選用尺寸為450 mm×550 mm和25 mm×550 mm光面木工板2張. 圖1中，S為雙刀雙擲開關(guān)，C3為雙聯(lián)可變電容器，L1和L2為不同感抗的電感器(電阻值均為0.5 Ω，L1為空心,L2帶

鐵芯)，R2為電阻值與L2相同的水泥電阻，L3為空心帶抽頭自繞電感線圈(線圈管徑為15 mm,線徑為0.5 mm,300匝,每100匝接出1個抽頭)L1~L6為同一批次規(guī)格相同的小燈泡(2.8 V,0.3 A)，1~21均為接線柱，為交流毫安表.

實驗電源：直流采用2節(jié)干電池串聯(lián)得到3 V供電；交流選用J24022低頻信號發(fā)生器供電，該低頻信號發(fā)生器正弦波輸出電壓大于3.5 V，輸出頻率范圍為10~30 000 Hz并由數(shù)碼管顯示具體輸出頻率，帶功率輸出及過載保護(hù)功能，能滿足實驗要求.

2演示實驗

按電路設(shè)計圖要求，在木工板上畫線、鉆孔、組裝成圖1所示演示實驗板.

1)驗證電感器對交變電流阻礙作用.

原教材采用的演示方法是:在操作過程中“取直流電源的電壓與交流電壓的有效值相等”來觀察對比燈泡的亮度，該要求比較難做到，并且花費較長時間.

現(xiàn)改為：把開關(guān)S置于交流位置，調(diào)節(jié)低頻信號發(fā)生器使之輸出50 Hz正弦波交變電流供電，用導(dǎo)線連接1~2和13~14，觀察到小燈泡L5發(fā)光但比較暗(該步驟可通過改變低頻信號發(fā)生器輸出交流電的頻率來改變小燈泡的亮度以達(dá)到實驗?zāi)康?，把該導(dǎo)線的連接點從14改接到15，此時小燈泡L5發(fā)光較亮，而小燈泡L1亮度始終保持不變. 進(jìn)行電路分析，電感器L2和電阻器R2的電阻值相同，連接到14較暗而連接到15較亮的原因是在交流電路中，電感器對交變電流除了具有阻抗作用外，還有感抗作用.

2)驗證線圈的自感系數(shù)越大，電感對交流電的阻礙作用就越大.

把開關(guān)S置于交流位置，用導(dǎo)線連接1~2，11~12，13~14，調(diào)節(jié)低頻信號發(fā)生器使之輸出40 Hz正弦波交流電供電，觀察到L1和L4較亮，L5較暗，微調(diào)低頻信號發(fā)生器輸出頻率為30 Hz和50 Hz，2次都觀察到L4比L5亮，而L1亮度始終保持不變. 這是因為電感器L2的自感系數(shù)比電感器L1的自感系數(shù)大，導(dǎo)致電感器L2對交變電流的阻礙作用比電感器L1的阻礙作用大.

3)驗證交變電流的頻率越高，電感對交流電的阻礙作用就越大.

在實驗2)的基礎(chǔ)上，慢慢調(diào)高低頻信號發(fā)生器的輸出頻率，當(dāng)頻率達(dá)到70 Hz時小燈泡L5熄滅(此時仍有微小電流通過L5，但不足以使其發(fā)光)，當(dāng)頻率達(dá)到4 500 Hz時小燈泡L4熄滅，而L1亮度始終保持不變. 驗證了交變電流的頻率越高，電感對交變電流的阻礙作用就越大.

4)初步探究影響電感器感抗大小的因素.

a.把開關(guān)S置于交流位置，調(diào)節(jié)低頻信號發(fā)生器使之輸出15 000 Hz正弦波交變電流供電，用導(dǎo)線連接1~2和16~19，調(diào)節(jié)滑動變阻器R1使小燈泡L1和L6的亮度相同，接著把連接導(dǎo)線16~19的連接點從19分別改接到18和17，發(fā)現(xiàn)小燈泡L6變暗、熄滅，而小燈泡L1亮度始終保持不變.

b.把開關(guān)S置于交流位置，調(diào)節(jié)低頻信號發(fā)生器使之輸出2 300 Hz正弦波交變電流供電，用導(dǎo)線連接1~2和16~17，調(diào)節(jié)滑動變阻器R1使小燈泡L1和L6亮度相同，接著把鐵芯慢慢插入空心電感線圈內(nèi)部，隨著插入深度的增加，發(fā)現(xiàn)小燈泡L6逐漸變暗直至熄滅，而小燈泡L1亮度始終保持不變.

c.把開關(guān)S置于交流位置，用導(dǎo)線連接1~2和16~17，調(diào)節(jié)低頻信號發(fā)生器使之輸出2 300 Hz正弦波交變電流供電，調(diào)節(jié)滑動變阻器R1使小燈泡L1和L6亮度相同，接著慢慢調(diào)高低頻信號發(fā)生器的輸出頻率，發(fā)現(xiàn)小燈泡L6逐漸變暗，當(dāng)輸出頻率達(dá)到11 500 Hz以上時小燈泡L6熄滅，而小燈泡L1亮度始終不變.

通過以上探究實驗，初步探明了電感器感抗的大小與線圈匝數(shù)有關(guān),與線圈中心是否插入鐵芯有關(guān),與交變電流的頻率有關(guān).

5)驗證交變電流能通過電容器而直流電不能通過電容器.

a.把開關(guān)S置于直流位置，用導(dǎo)線連接1~2和3~4，可觀察到小燈泡L1亮，L2不亮，驗證了直流電不能通過電容器.

b.把開關(guān)S置于交流位置，調(diào)節(jié)低頻信號發(fā)生器使之輸出80 Hz正弦波交變電流供電，用導(dǎo)線連接1~2和3~4，可觀察到小燈泡L1和L2均發(fā)光，驗證了交變電流能通過電容器.

6)驗證電容器對交變電流的阻礙作用與電容值的大小有關(guān).

a.把開關(guān)S置于交流位置，調(diào)節(jié)低頻信號發(fā)生器使之輸出1 000 Hz正弦波交變電流供電，用導(dǎo)線連接1~2,3~4,5~6，可觀察到小燈泡L2較亮，L3較暗，驗證了交變電流的頻率相同時，電容器的電容值大產(chǎn)生的阻礙作用小、電容值小產(chǎn)生的阻礙作用大.

b.把開關(guān)S置于交流位置，調(diào)節(jié)低頻信號發(fā)生器使之輸出30 000 Hz正弦波交變電流供電，用導(dǎo)線連接1~2和7~8，把交流毫安表連接在9~10接線柱上，調(diào)節(jié)可變電容器，當(dāng)增大電容值時，觀察到毫安表示數(shù)變大，當(dāng)減小電容值時，觀察到毫安表示數(shù)變小，驗證了交變電流的頻率相同時，電容器的電容值變大時產(chǎn)生的阻礙作用變小、電容值變小時產(chǎn)生的阻礙作用變大.

7)驗證電容器對交變電流的阻礙作用與交變電流本身的頻率有關(guān).

把開關(guān)S置于交流位置，用導(dǎo)線連接1~2，3~4，調(diào)節(jié)低頻信號發(fā)生器使之輸出40 Hz正弦波交變電流供電，可觀察到小燈泡L2開始發(fā)光亮，頻率繼續(xù)增大到60 Hz，80 Hz時小燈泡亮度不斷增大，而小燈泡L1亮度保持不變，驗證了電容器的電容值相同時，交變電流的頻率越高，電容器對交變電流產(chǎn)生的阻礙作用越小.

總之，該演示裝置制作簡單，操作簡便快捷，節(jié)約課堂演示時間，演示效果直觀明顯.

參考文獻(xiàn)：

[1]物理課程教材研究開發(fā)中心：高中物理(選修)(3-2)[M]. 3版. 北京：人民教育出版社，2010:37-40.

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[責(zé)任編輯：尹冬梅]

Demonstrator of the effects of inductance and

capacitance on alternating current

PAN Yong-xiang

(Kaili No.1 High School, Kaili 556000, China)

Abstract:A circuit with power source, capacitance, inductance, resistance and bulb was designed. After connecting different circuit, by judging the brightness of the bulb, the effects of inductance and capacitance on alternating current were obviously shown. Using this demonstrator, the influence factors on inductive reactance were explored.

Key words:inductance; capacitance; alternating current; alternating current

中圖分類號：G633.7

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1005-4642(2016)01-0040-03

作者簡介：潘永祥(1967-),男，貴州凱里人，凱里市第一中學(xué)高級教師，學(xué)士，從事中學(xué)物理教學(xué)及研究工作.

收稿日期：2015-05-25