劉成剛

摘 要：教材所介紹的實(shí)驗(yàn)，大多只是原理性的，實(shí)際操作時(shí)，有時(shí)需要特定型號(hào)的器材，才會(huì)有理想的效果。當(dāng)現(xiàn)有器材不具備原實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)所達(dá)到的效果時(shí)，能否利用現(xiàn)有器材，對(duì)原實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)行成功改進(jìn)或創(chuàng)新，是決定實(shí)驗(yàn)教學(xué)能否進(jìn)行的關(guān)鍵。本文設(shè)計(jì)了三種“斷電自感”實(shí)驗(yàn)，就是針對(duì)現(xiàn)有器材、易得器材，根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理，對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行的4種有效改進(jìn)和創(chuàng)新的實(shí)例。

關(guān)鍵詞：現(xiàn)有器材；易得器材；改進(jìn)創(chuàng)新；改進(jìn)效果

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-6148（2016）12-0010-3

教材或教師教學(xué)用書(shū)中所介紹的實(shí)驗(yàn)，大多只是原理性的。如果僅是按儀器名稱拿來(lái)的器材，不一定能達(dá)到應(yīng)有的效果，可能還需要特定型號(hào)，因此實(shí)驗(yàn)前，有時(shí)還需要研究實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中器材所需的型號(hào)或參數(shù)。當(dāng)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有器材不能滿足原實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)所需的規(guī)格或參數(shù)時(shí)，教師能否立足于現(xiàn)有的器材，對(duì)原實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)作適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)或創(chuàng)新，成為能否實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的關(guān)鍵。如果教師把這種過(guò)程在學(xué)生中再現(xiàn)，無(wú)疑也是對(duì)學(xué)生“科學(xué)思維、科學(xué)探究”核心素養(yǎng)的凝練。下面以教材設(shè)計(jì)的“斷電自感”為例，展現(xiàn)利用現(xiàn)有器材、身邊器材進(jìn)行創(chuàng)新改進(jìn)的過(guò)程。并對(duì)改進(jìn)效果做了說(shuō)明。

1 “斷電自感”原實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

人教版物理選修3-2教師教學(xué)用書(shū)中，“斷電自感”實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)電路如圖1。當(dāng)開(kāi)關(guān)S閉合后，B燈亮（二極管D2導(dǎo)通），A燈不亮（二極管D1截止）；當(dāng)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)后，B燈不亮（二極管D2截止），A燈亮（二極管D1導(dǎo)通）[1]。下面是按圖1設(shè)計(jì)的電路圖和實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有器材進(jìn)行的系列實(shí)驗(yàn)。

2 利用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有器材進(jìn)行實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)室中有存量較大的J2426型小型變壓器，于是筆者想到用J2426型240匝線圈（連同鐵芯）作為自感線圈，小燈泡規(guī)格用2.5 V，0.3 A。按圖1進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果當(dāng)干電池電源電動(dòng)勢(shì)為3.0 V時(shí)，開(kāi)關(guān)閉合， B燈正常發(fā)光，A燈不亮；開(kāi)關(guān)斷開(kāi)后，B燈熄滅，A燈不曾亮。電源電壓增至6 V以上時(shí)，B燈或二極管D2將被燒壞，實(shí)驗(yàn)不成功。

3 原因分析

J2426型小型變壓器240匝線圈，其自感系數(shù)約為150 mH，直流電阻RL為5 Ω，二極管的正向電阻約為4 Ω，二極管反向電阻約為1.4 MΩ，小燈泡發(fā)光時(shí)的電阻約為6 Ω。

B燈正常發(fā)光，電路穩(wěn)定后，自感線圈中的電流IL（約0.6 A）大于A燈正常發(fā)光的電流（0.3 A），但由于線圈的自感系數(shù)（約150 mH）偏小，線圈和A燈構(gòu)成的回路的馳豫時(shí)間τ=L/R（R為回路總電阻）[2]較短（約為0.01 s），因此電源斷開(kāi)后，電流降低過(guò)快，相應(yīng)維持能使A燈發(fā)光的電流的時(shí)間過(guò)短，燈絲溫度升高的不夠，致使A燈不能發(fā)光。

4 方案改進(jìn)

4.1 改進(jìn)方案1

仍以J2426型小型變壓器240匝作為自感線圈，在D2所在支路加一適當(dāng)分壓的電阻R，其他不變，以增加直流電源的電動(dòng)勢(shì)。如圖2，這樣閉合開(kāi)關(guān)、D2支路小燈泡正常發(fā)光時(shí)，電感線圈支路的直流電流將增大，由于線圈和A燈構(gòu)成的回路的馳豫時(shí)間不變，從而增大自感電動(dòng)勢(shì)，這樣斷開(kāi)電鍵的瞬間，就能使燈發(fā)光甚至閃亮。

4.2 改進(jìn)方案2

仍以J2426型小型變壓器240匝作為自感線圈，將圖1中D1和D2的一般二極管改為發(fā)光二極管，去掉燈泡，以免去考慮燈泡發(fā)光所需的所謂“熱惰性”的困擾，如圖3所示。

5 改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)效果

5.1 方案1效果

圖2中，分壓電阻R為10歐，電源電動(dòng)勢(shì)為6 V，開(kāi)關(guān)閉合后，B燈亮，A燈不亮，開(kāi)關(guān)斷開(kāi)后，B燈熄滅，A燈亮一下熄滅，實(shí)驗(yàn)達(dá)到理想效果。

需要說(shuō)明的是：燈能否發(fā)光不是單純看馳豫時(shí)間，關(guān)鍵是看在大于或等于燈的發(fā)光電流的這段時(shí)間內(nèi)電流做的功，這段時(shí)間內(nèi)電流的有效值越大，時(shí)間越長(zhǎng)，燈就越可能發(fā)光。例如：按圖2，用J2423型變壓器400匝（自感系約為193 mH ， 直流電阻約為2歐姆）做自感線圈，干電池電壓為3 V時(shí)，燈即可正常發(fā)光，電流可達(dá)約1.5 A，馳豫時(shí)間0.016 s，超過(guò)了改進(jìn)方案1中J2426型小型變壓器240匝的參數(shù)，但事實(shí)上，開(kāi)關(guān)斷開(kāi)后，A燈卻并未見(jiàn)亮。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：電源電壓要調(diào)到6 V，才能使開(kāi)關(guān)斷開(kāi)后，A燈瞬間發(fā)光，而且會(huì)閃亮一下熄滅。因此，仍需按方案1中的圖2進(jìn)行。但用它的缺點(diǎn)是，器材笨重，實(shí)驗(yàn)室數(shù)量有限，不方便做線路板。

顯然，對(duì)于直流電阻較大的自感線圈，單靠按方案1增加電動(dòng)勢(shì)是不方便的。以J2423型可拆變壓器800匝（自感系數(shù)約為780 mH，直流電阻為20歐姆）做電感線圈為例。實(shí)驗(yàn)表明把電源電動(dòng)勢(shì)增加到25 V時(shí)，斷開(kāi)電路瞬間， A燈還不見(jiàn)亮，若繼續(xù)增加直流電壓，顯然是不現(xiàn)實(shí)的。

5.2 方案2效果

圖3中，兩二極管為紅色發(fā)光二極管，干電池電壓為3 V，閉合電鍵，D2亮度十足，斷開(kāi)電鍵，D2熄滅，D1閃亮后熄滅，實(shí)驗(yàn)也達(dá)到理想的效果。

6 其他器材參數(shù)及改進(jìn)

6.1 剃須刀充電變壓器線圈做自感線圈的電路設(shè)計(jì)改進(jìn)

出于好奇，筆者將剃須刀內(nèi)的小型充電變壓器的一組線圈（其自感系數(shù)L約為28.7 mH ，直流電阻為10 Ω）用方案2做實(shí)驗(yàn)。結(jié)果電源用3 V的干電池，實(shí)驗(yàn)基本成功，只是電鍵斷開(kāi)后，D1沒(méi)有斷開(kāi)前D2亮。

改進(jìn)方法是：在D2支路加一個(gè)5 kΩ左右的電阻R，結(jié)果是，在電源電壓仍為3 V時(shí)，電鍵斷開(kāi)后的D1要比斷開(kāi)前D2亮些，達(dá)到閃亮的效果（如圖4）。

6.2 J2426型小型變壓器120匝做自感線圈的電路設(shè)計(jì)改進(jìn)

如果自感線圈直流電阻過(guò)小，電路穩(wěn)定后，會(huì)被自感線圈支路造成短路，使得電鍵閉合后，D2亮一下即熄滅了。電鍵閉合、斷開(kāi)，二極管交替閃爍發(fā)光。如用J2426型小型變壓器120匝做自感線圈（其自感系數(shù)為49 mH，直流電阻為1.2 Ω）就會(huì)出現(xiàn)此情況。

改進(jìn)的方法是：在電感線圈支路加適當(dāng)電阻。如用J2426型小型變壓器120匝做自感線圈（如圖5），R1取2～5 Ω，R2取150～300 Ω，干電池電壓為3 V，實(shí)驗(yàn)可取得顯著效果。

以上實(shí)驗(yàn)，均用小型變壓器的線圈充當(dāng)自感線圈，體型小，器材易得，方便制作線路板，為學(xué)生進(jìn)行探究分組實(shí)驗(yàn)提供了可能。

7 啟 示

看似原理簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)，不親自去實(shí)踐，很難知道其中隱藏的奧妙。只有在實(shí)踐中才能發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，只有在理論指導(dǎo)下的對(duì)實(shí)踐的科學(xué)分析，才能使研究有的放矢，找到有效改進(jìn)實(shí)驗(yàn)的措施，增加取得實(shí)驗(yàn)成功的概率。

不拘泥于教材的設(shè)計(jì)，立足現(xiàn)有器材，注重理論分析，進(jìn)行改進(jìn)和創(chuàng)新，不僅切實(shí)解決了實(shí)驗(yàn)難點(diǎn)，真正發(fā)揮了實(shí)驗(yàn)在物理教學(xué)中的價(jià)值和作用，提高了課堂教學(xué)效果，而且無(wú)形中給學(xué)生傳遞著求新、求異、求美的意識(shí)，有了這種意識(shí)，創(chuàng)新思維的培養(yǎng)也就能水到渠成。

參考文獻(xiàn)：

[1]普通高中標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書(shū)物理（選修3-2） 教師教學(xué)用書(shū)（第4版）[M].北京：人民教育出版社，2010：35.

[2]程守洙，江之永.普通物理學(xué)（第五版）[M].北京：高等教育出版社，1998：364—365.

（欄目編輯 趙保鋼）