齊玲玲

摘 要：用DIS系統(tǒng)研究自感現(xiàn)象是在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)之上，把傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中通電自感和斷電自感現(xiàn)象中電流的變化趨勢，通過DIS系統(tǒng)在計(jì)算機(jī)上清楚地呈現(xiàn)出來，幫助學(xué)生更好地理解自感現(xiàn)象中電流的變化。

關(guān)鍵詞：DIS系統(tǒng)；傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)；通電自感；斷電自感

“數(shù)字化信息系統(tǒng)”即DIS（Digital Information System）實(shí)驗(yàn)技術(shù)，是由“傳感器+數(shù)據(jù)采集器+實(shí)驗(yàn)軟件+計(jì)算機(jī)”構(gòu)成的新型實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)成功地克服了傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)儀器的諸多弊端，有力地支持了信息技術(shù)與物理教學(xué)的全面整合。它是利用傳感器和數(shù)據(jù)采集器等儀器采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，然后傳送到計(jì)算機(jī)，利用計(jì)算機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行快速處理，分析后的數(shù)據(jù)由計(jì)算機(jī)進(jìn)行顯示。傳感器主要包括電流、電壓、壓強(qiáng)、溫度、聲波、位移、力、磁、光電門等多種。它們的主要功能：實(shí)時地動態(tài)測量各種物理量并把它們統(tǒng)一轉(zhuǎn)化成電信號送入數(shù)據(jù)采集器。

所謂“傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教具”，是根據(jù)教學(xué)需要而設(shè)計(jì)的可演示物理現(xiàn)象的儀器，可以是利用簡單的工具和易得的材料因教而開發(fā)的自制教具，更加貼近生活而且能有效說明問題的創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)儀器和教具，滿足實(shí)驗(yàn)教學(xué)需要；大部分是生產(chǎn)企業(yè)大規(guī)模生產(chǎn)的儀器。

本文將通過用兩種不同的方式對自感現(xiàn)象進(jìn)行研究，分析、對比傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)和DIS系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的不同，以顯示各個實(shí)驗(yàn)的優(yōu)缺點(diǎn)，并提出自己對有關(guān)研究自感現(xiàn)象實(shí)驗(yàn)的一些觀點(diǎn)。

《自感與互感》是普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書物理選修3-2中第四章第六節(jié)的內(nèi)容，是在學(xué)習(xí)了電磁感應(yīng)以后，對其的一個應(yīng)用。自感現(xiàn)象是一個特殊的電磁感應(yīng)現(xiàn)象，它是由于線圈中自身的電流發(fā)生變化而激發(fā)出感應(yīng)電動勢的現(xiàn)象。

一、通電自感現(xiàn)象的研究

1.傳統(tǒng)通電自感實(shí)驗(yàn)

如圖1電路圖所示，在實(shí)驗(yàn)過程中，先閉合開關(guān)，調(diào)節(jié)滑動變阻器，使兩個燈泡的亮度相同，然后斷開開關(guān)開始做實(shí)驗(yàn)。閉合開關(guān)瞬間，發(fā)現(xiàn)與滑動變阻器串聯(lián)的燈泡先亮，與線圈相連的燈泡后亮，最終兩個燈泡達(dá)到亮度相同。

通過傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，可以明顯地觀察到在與線圈串聯(lián)的支路中，由于電流的突然增加，線圈中產(chǎn)生自感電動勢阻礙其增加，延遲了同一支路燈泡的亮起。

不足之處：亮度的判斷只是感性的認(rèn)識，兩個燈泡中的電流是否相等，燈泡亮起來只是延遲了還是不但延遲而且電流大小會受影響呢？這些就顯得不太嚴(yán)謹(jǐn)了。

2.用DIS系統(tǒng)研究通電自感現(xiàn)象

筆者最初研究該實(shí)驗(yàn)時，將圖1中的電燈泡所在支路再分別用一個電流傳感器代替了燈泡，電源用的是學(xué)生電源，因?yàn)殚_始用的是學(xué)生電源的直流輸出，由于直流輸出是通過一些電路把交流變成直流，存在不穩(wěn)定性，電流傳感器又比較敏感，實(shí)驗(yàn)可見性稍差，后來改用了穩(wěn)恒輸出（6V），這樣輸出的電流就穩(wěn)定很多。如實(shí)物電路圖所示：

具體操作：

（1）如上圖，連接好電路線，閉合開關(guān)，滑動滑動變阻器，盡量使兩條支路的電流相同。本實(shí)驗(yàn)中，沒有線圈的支路的滑動變阻器的總阻值要大一些，否則兩個支路的電流懸殊較大。（200？贅的電阻）盡量調(diào)整相同，但比較難，所以本實(shí)驗(yàn)的穩(wěn)定電流分別是0.2A與0.3A.

本實(shí)驗(yàn)所用的線圈是經(jīng)過多個線圈的嘗試，最終選定的是學(xué)生自感線圈演示板上的線圈。如下圖為實(shí)驗(yàn)中嘗試的線圈。

（2）在計(jì)算機(jī)中打開Edislab程序，選擇“物理實(shí)驗(yàn)”中的“自感現(xiàn)象”，取消“開啟自動識別傳感器”，在“實(shí)驗(yàn)配置”中選擇“選擇傳感器”，刪除“電壓傳感器”，添加兩個“電流傳感器”量程設(shè)定為“0.3A”，點(diǎn)擊“確定”。

（3）待數(shù)據(jù)采集器的“通信”燈閃亮穩(wěn)定后，對兩個電流傳感器進(jìn)行調(diào)零，先點(diǎn)擊“開始”進(jìn)行采集數(shù)據(jù)，再閉合電路中的開關(guān)，幾秒后點(diǎn)擊“停止”，采集數(shù)據(jù)結(jié)束，斷開電源，則通過電流傳感器的電流在計(jì)算機(jī)上清楚地記錄下來。

（4）分析數(shù)據(jù)：如下圖所示（左邊為具體數(shù)據(jù)顯示；右邊為電流與時間圖像），可以從圖中清楚地看到：閉合開關(guān)時，沒有線圈的支路（CH2紅色線）先達(dá)到穩(wěn)定電流（0.03A）；有線圈的支路（CH1藍(lán)色線），經(jīng)過0.8s才達(dá)到穩(wěn)定電流（0.02A），線圈在電流變化的電路中有自感現(xiàn)象，會使電流延遲達(dá)到穩(wěn)定值，在電路穩(wěn)定狀態(tài)下和定值電阻相同。這一點(diǎn)用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)是達(dá)不到精確效果的。

實(shí)驗(yàn)過程中需要通過多次采集，因?yàn)殡娏鱾鞲衅鞯撵`敏性比較高，在采集數(shù)據(jù)時會把很多不穩(wěn)定的因素體現(xiàn)出來，達(dá)不到實(shí)驗(yàn)的效果。截取2.4s后比較穩(wěn)定的數(shù)據(jù)如下圖所示：

二、斷電自感現(xiàn)象的研究

1.傳統(tǒng)斷電自感實(shí)驗(yàn)

如圖2電路圖是傳統(tǒng)斷電自感現(xiàn)象實(shí)驗(yàn)電路圖。在實(shí)驗(yàn)過程中，接通電路燈泡立刻正常發(fā)光，當(dāng)斷開開關(guān)時，可以看到燈泡會閃亮一下再熄滅。（本實(shí)驗(yàn)中要求燈泡的電阻大于線圈在直流電路中的電阻值）

通過傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，可以明顯地看到，在斷開開關(guān)時，燈泡不是立即熄滅，而是由于線圈中的電流突然減小，產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，使斷開開關(guān)后，線圈和燈泡形成回路，延遲了燈泡的熄滅。

不足之處：燈泡為什么會閃亮一下？燈泡的熄滅因?yàn)樽愿须妱觿莸脑蚴欠裱舆t了？傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)就顯出了不足之處。

當(dāng)然，后來為了使實(shí)驗(yàn)更加明顯，顯示在斷開開關(guān)后，由于線圈的自感現(xiàn)象，使燈泡在斷開開關(guān)后的電流方向發(fā)生了變化，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)在演示實(shí)驗(yàn)板上把燈泡換成了二極管，如上面右圖所示：閉合開關(guān)，二極管2發(fā)光；斷開開關(guān)時，二極管1發(fā)光。說明在斷開開關(guān)時，由于線圈的自感現(xiàn)象使電流的方向發(fā)生了變化，但仍然解決不了燈泡中的電流變化是否延遲。

2.傳感器研究自感對電流的影響

為了更清楚地觀察電路中電流的大小和方向的變化，以及變化與時間的關(guān)系，可以用電流傳感器代替電路中的燈泡，通過數(shù)字化系統(tǒng)生成的電流隨時間的圖像可以直接觀察電路中的電流變化。用電流傳感器代替圖2中的電燈泡，連接電路。

具體操作：

（1）如圖2連接好電路圖，用一個電流傳感器代替電路中的燈泡，打開Edislab程序，選擇“物理實(shí)驗(yàn)”中的“自感現(xiàn)象”，取消“開啟自動識別傳感器”，在“實(shí)驗(yàn)配置”中選擇“選擇傳感器”，刪除“電壓傳感器”，添加一個“電流傳感器”，量程設(shè)定為“0.3A”，點(diǎn)擊“確定”。

（2）待數(shù)據(jù)采集器的“通信”燈閃亮穩(wěn)定后，對電流傳感器進(jìn)行調(diào)零，先點(diǎn)擊“開始”進(jìn)行采集數(shù)據(jù)，閉合電路中的開關(guān)，幾秒后斷開電源，再點(diǎn)擊“停止”，數(shù)據(jù)采集結(jié)束，通過電流傳感器的電流在計(jì)算機(jī)上清楚地記錄下來。

（3）整體的實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖如下圖所示：

為了方便進(jìn)一步分析，將1.3s后的數(shù)據(jù)截取如下圖所示分析：

可以從圖中清楚地看到：在穩(wěn)定電路中，線圈中的電流一直為-0.17A（負(fù)號表示設(shè)定的方向?yàn)榉捶较颍?。在斷開開關(guān)（第1.9s）瞬間，如左上圖分析與線圈并聯(lián)的電流傳感器中的電流由-0.17A變化為-0.16A到0.13A，最后減為0A，共經(jīng)過1.3s時間電流由正向變小到反向最后減為零的過程，現(xiàn)象非常明顯可見，（右上圖為電流與時間的關(guān)系圖）比傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)更加清晰可見。

總之，通過傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)與用DIS系統(tǒng)做實(shí)驗(yàn)對比，筆者發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)比較方便，可見性比較高，對不進(jìn)入深入理解來說，是完全可以的。使用DIS系統(tǒng)做實(shí)驗(yàn)，數(shù)據(jù)采集很精準(zhǔn)，把不易觀察的物理現(xiàn)象以圖像的形式展示出來，增強(qiáng)理論性，提高學(xué)生的思維分析能力。

（作者單位：河南省實(shí)驗(yàn)中學(xué)）endprint