王維國(guó)

(江蘇省海安高級(jí)中學(xué)，江蘇　海安　226600)

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利用DIS實(shí)驗(yàn)研究交流電相差問題

王維國(guó)

(江蘇省海安高級(jí)中學(xué)，江蘇海安226600)

數(shù)字化信息系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室(DISLab)作為一種革命性的實(shí)驗(yàn)教學(xué)工具，經(jīng)過十幾年的發(fā)展，技術(shù)上已日漸成熟，但在用DISLab整合傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)資源和進(jìn)行實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新方面還需進(jìn)一步研究.本文先通過理論分析糾正一個(gè)交流電問題的錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)，再利用DISLab從實(shí)驗(yàn)的角度進(jìn)行探究.

DISLab；交流電；相差

數(shù)字化信息系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室(DISLab)包括數(shù)據(jù)采集器、多種教學(xué)專用傳感器及配套使用的通用和專用軟件.DISLab將傳感器和計(jì)算機(jī)組成多功能的測(cè)量系統(tǒng)，能快速、高精度地實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，自動(dòng)記錄和分析處理數(shù)據(jù)，并以圖表或圖像的形式顯示出來.利用DISLab能對(duì)多種物理量進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，實(shí)現(xiàn)了中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)手段的革命，為實(shí)驗(yàn)研究和創(chuàng)新提供了技術(shù)支持.在交流電實(shí)驗(yàn)中，傳統(tǒng)的單蹤示波器不能同時(shí)顯示電流、電壓的變化情況，而DISLab在這方面有明顯的優(yōu)勢(shì)，本文嘗試用DISLab來研究交流電相差問題.

1　問題的提出

圖1

很多教輔資料收錄了一道經(jīng)典的電磁學(xué)試題，它是1997年上海市高考的第8題，其答案值得商榷.題目如下：如圖1所示，一金屬直桿MN兩端接有導(dǎo)線，懸掛于線圈上方，MN與線圈軸線均處于豎直平面內(nèi)，為使MN垂直紙面向外運(yùn)動(dòng)，可以().

A． 將a、c端接在電源正極，b、d端接在電源負(fù)極

B． 將b、d端接在電源正極，a、c端接在電源負(fù)極

C． 將a、d端接在電源正極，b、c端接在電源負(fù)極

D． 將a、c端接在交流電源的一極，b、d端接在交流電源的另一極

命題者提供的參考答案是A、B、D.該題的命題思路是考查安培定則和左手定則，根據(jù)線圈中的電流方向，用安培定則確定線圈周圍的磁場(chǎng)方向，然后用左手定則判斷金屬直桿所受的安培力方向.用上述方法易得選項(xiàng)A正確；選項(xiàng)B中的直桿電流和線圈磁場(chǎng)方向均與選項(xiàng)A中的相反，所以安培力方向也向外；選項(xiàng)C中的直桿電流與選項(xiàng)A中的相同，而線圈磁場(chǎng)反向，所以安培力方向向里；選項(xiàng)D中接的是交流電，命題者認(rèn)為在交流電的正半周期，情況與選項(xiàng)A相同，而在交流電的負(fù)半周期，則與選項(xiàng)B的情況相同，所以受到的安培力方向也一直向外.

命題者在選項(xiàng)D中設(shè)置交流電問題的本意是考查學(xué)生思維靈活變通的能力，從這個(gè)意義上看該題不失為一道好題.但由于忽視了交流電與直流電的差異，沒有考慮到線圈中電壓與電流的相位差，在科學(xué)性上不夠嚴(yán)謹(jǐn).

2　理論分析

在交流電路中，除電阻外，電容和電感對(duì)交流電也有阻礙作用.上題中線圈接在交流電源上時(shí)，因?yàn)樽陨淼碾娏靼l(fā)生變化，所以在線圈中要產(chǎn)生自感電動(dòng)勢(shì)，使電流不能隨電壓同步變化.線圈的感抗為XL=2πfL=ωL，其中L為線圈的自感系數(shù)，f為交流電的頻率.

圖2

3　實(shí)驗(yàn)研究

該題中線圈和金屬桿均接在同一交流電源上時(shí)，桿所受的安培力方向的理論分析是否正確，經(jīng)實(shí)驗(yàn)的檢驗(yàn)后，才具有說服力.

3.1實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

因?yàn)榻饘贄UMN受到的安培力很小，不易直接測(cè)量，所以采用間接測(cè)量的方法.線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度與線圈中的電流I同相位，金屬桿中的電流與電源電壓U同相位，所以通過觀察U、I相位的變化，就能判斷桿所受的安培力方向的變化.

3.2實(shí)驗(yàn)步驟

(1) 如圖3所示，將電流傳感器與線圈串聯(lián)后接在交流電源兩端，將金屬桿MN與一保護(hù)電阻串聯(lián)也接在交流電源兩端，用電壓傳感器測(cè)量電源兩端的電壓.實(shí)物圖如圖4所示.將電壓傳感器和電流傳感器分別接入數(shù)據(jù)采集器的第一、二通道.

(2) 點(diǎn)擊“調(diào)零”，打開“組合圖線”，添加“電壓-時(shí)間”圖線，將采樣頻率設(shè)置為“1k”，圖線顏色設(shè)置為藍(lán)色.打開“組合圖線”，添加“電流-時(shí)間”圖線，將采樣頻率設(shè)置為“1k”，圖線顏色設(shè)置為紅色.閉合電源開關(guān)后，點(diǎn)擊“開始”，幾秒后點(diǎn)擊“停止”.

(3) 通過“x平移”、“x縮放”、“y平移”、“y縮放”調(diào)整記錄的U-t和I-t圖像的大小，根U、I的峰值對(duì)應(yīng)的時(shí)刻確定U、I的相差.

(4) 改變交流電源電壓值，重復(fù)實(shí)驗(yàn).

3.3實(shí)驗(yàn)結(jié)論

從圖5所示的U-t和I-t圖像可知，線圈中的電流與電壓有明顯的相差.圖中時(shí)間軸的最小刻度為0.005s，可讀出線圈中的電流的相位落后于電壓為0.40π，即線圈周圍產(chǎn)生磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度的相位落后于金屬桿中電流為0.40π.圖中若規(guī)定U>0、I>0時(shí)金屬桿受的安培力為正方向，則U<0、I<0時(shí)安培力為正方向，U>0、I<0和U<0、I>0時(shí)安培力為負(fù)方向.由圖5可知，金屬桿所受的安培力方向作周期性變化，而非參考答案中所說的安培力方向不變.

圖5

3.4實(shí)驗(yàn)拓展

4　結(jié)束語

利用DISLab進(jìn)行交流電實(shí)驗(yàn)，可密集記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過圖像的形式把電流、電壓的變化情況同時(shí)展示出來.將稍縱即逝的過程“定格”，用圖像的縮放功能“拉長(zhǎng)”時(shí)間，充分發(fā)揮數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的優(yōu)越性，使抽象的問題變得直觀，降低了學(xué)生理解上的困難，突破了教學(xué)難點(diǎn).DISLab降低了實(shí)驗(yàn)的操作難度，可以完成用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)器材做不好或做不了的實(shí)驗(yàn)，為學(xué)生進(jìn)行探究性學(xué)習(xí)提供了有力的技術(shù)支持，促進(jìn)了學(xué)生探究能力的提高.

[1] 陶洪.物理實(shí)驗(yàn)論[M].南寧：廣西教育出版社，1996.

[2] 馮容士.DISLab與力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)[J].物理教學(xué)，2004，(11)．

[3] 王維國(guó).基于數(shù)字實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的物理探究性校本課程的開發(fā)與研究[D].蘇州：蘇州大學(xué)，2007.

[4] 秦曾煌.電工學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2004.