田 川 陳 怡 董 彥

(1. 重慶市第八中學(xué)校，重慶 400030； 2. 重慶市沙坪壩區(qū)教師進(jìn)修學(xué)院，重慶 400030)

1 對(duì)該實(shí)驗(yàn)的進(jìn)一步探究

共識(shí)1:如圖1所示,斷開(kāi)開(kāi)關(guān),握住M、N兩點(diǎn)的人會(huì)有觸電的感覺(jué),設(shè)人體接入的電阻為R,那么斷電前一瞬間流過(guò)自感線圈的電流為I,則斷開(kāi)開(kāi)關(guān)的一瞬間,人就會(huì)感受到一個(gè)大小等于IR的電壓．I一定時(shí),R越大,則感受到的瞬間電壓就越大．

圖1

問(wèn)題1:這個(gè)電壓可以達(dá)到多大呢?將人換成一個(gè)大電阻,例如一段空氣縫隙,即將M、N兩點(diǎn)靠的很近但又不接觸．如圖2所示,空氣的電阻率可達(dá)1013Ω·m[1],取導(dǎo)線間距1 mm,正對(duì)橫截面積1 mm2,由電阻定律可知此小段空氣縫隙的電阻約為1016Ω．若斷開(kāi)開(kāi)關(guān)前,流過(guò)自感線圈的電流為0.1 A,那么斷開(kāi)開(kāi)關(guān)時(shí),此空氣縫隙間的電壓可達(dá)1015V．空氣的擊穿場(chǎng)強(qiáng)為30000 V/cm[1],可知擊穿長(zhǎng)度為1 mm的空氣縫隙電壓需要達(dá)到3000 V,由此可知,1015V的強(qiáng)大電壓擊穿這個(gè)空氣縫隙是綽綽有余的,所以,斷開(kāi)開(kāi)關(guān)時(shí),應(yīng)該可以在M、N兩點(diǎn)間看到火花．

探究1:所需器材:舊式日光燈的鎮(zhèn)流器、電源、開(kāi)關(guān)、導(dǎo)線若干．按圖2連線,閉合開(kāi)關(guān),待穩(wěn)定后,斷開(kāi)開(kāi)關(guān),M、N兩點(diǎn)間縫隙處未見(jiàn)火花．再縮短空氣縫隙的間距,重復(fù)實(shí)驗(yàn),也未見(jiàn)火花．使導(dǎo)線的正對(duì)處更加尖銳,重復(fù)實(shí)驗(yàn)也未見(jiàn)火花．反復(fù)實(shí)驗(yàn),始終未見(jiàn)火花．

問(wèn)題2:原因?yàn)楹?

圖3

探究2:再重復(fù)以上實(shí)驗(yàn),但是將觀察的位置由M、N兩點(diǎn)間縫隙改為開(kāi)關(guān)處(為了使實(shí)驗(yàn)效果更易觀察用一根導(dǎo)線與鱷魚(yú)夾相接觸表示開(kāi)關(guān)閉合,脫離表示開(kāi)關(guān)斷開(kāi)),實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),在導(dǎo)線與鱷魚(yú)夾脫離的瞬間總能看到放電火花,如圖3所示．

問(wèn)題3:為什么在斷開(kāi)開(kāi)關(guān)的時(shí)候,總是在開(kāi)關(guān)處看到火花,而不是在M、N兩點(diǎn)間縫隙處．

探討1:為什么火花是在開(kāi)關(guān)處產(chǎn)生?這個(gè)現(xiàn)象背后的原因其實(shí)是一個(gè)“誰(shuí)先更小”的問(wèn)題．假設(shè)將M、N兩點(diǎn)間縫隙間距事先設(shè)定為0.1 mm,那么當(dāng)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí),開(kāi)關(guān)的兩個(gè)金屬片脫離后的距離一定是從0開(kāi)始增大的,在從0增大到0.1 mm的過(guò)程中,與M、N兩點(diǎn)縫隙間的空氣電阻相比,開(kāi)關(guān)處的電阻更小,因此自感線圈會(huì)選擇電阻更小的回路放電．因此放電的位置是在率先獲得“更小電阻”的開(kāi)關(guān)處,而不是M、N兩點(diǎn)間縫隙處．

共識(shí)2:如圖4所示,閉合開(kāi)關(guān),燈L2延遲亮,燈L1立即亮．因?yàn)榛瑒?dòng)變阻器不是自感線圈．

圖4

問(wèn)題4:仔細(xì)觀察滑動(dòng)變阻器的構(gòu)造,可以發(fā)現(xiàn)纏繞的電阻絲其實(shí)是一根“彈簧”．如圖5所示,是拆取下來(lái)的變阻器的電阻絲(圖5中的彈簧圈)和一個(gè)完好的滑動(dòng)變阻器的對(duì)比圖．筆者不禁要問(wèn),彈簧也是線圈呀!為什么沒(méi)有看到自感現(xiàn)象呢?是因?yàn)闆](méi)有插入鐵芯致使自感系數(shù)小嗎?

探究3:取下彈簧狀的電阻絲,中間插入一根鐵芯．按圖4連線,閉合開(kāi)關(guān),未見(jiàn)燈泡延遲亮．

問(wèn)題5：是不是自感電動(dòng)勢(shì)太小，導(dǎo)致現(xiàn)象不易察覺(jué)，可否考慮用更靈敏的器材加以檢驗(yàn).

探究4:所需器材:干電池、插有鐵芯的彈簧圈、保護(hù)電阻、電流傳感器(采集頻率選定為2000 Hz)、導(dǎo)線若干,如圖6所示．按圖7連線,閉合開(kāi)關(guān),待穩(wěn)定后斷開(kāi)開(kāi)關(guān)．結(jié)果在電流傳感器中檢測(cè)到一個(gè)短暫的反向電流,持續(xù)時(shí)間約為2.5 ms,如圖8所示,由此說(shuō)明滑動(dòng)變阻器也是一個(gè)電感元件,只是由于自感系數(shù)較小,因此在實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中將其視為一個(gè)理想的純電阻．

圖6

圖8

圖9

問(wèn)題6:既然滑動(dòng)變阻器也是自感元件,那么滑動(dòng)變阻器對(duì)串聯(lián)的燈泡的延時(shí)效果究竟弱到什么樣的程度,以致于肉眼察覺(jué)不到這種延時(shí)呢?

探究5:所需器材:干電池、插有鐵芯的彈簧圈、變壓器副線圈、舊式日光燈的鎮(zhèn)流器、保護(hù)電阻、電流傳感器(采集頻率選定為2000 Hz)、導(dǎo)線若干,如圖9所示．

首先將插有鐵芯的彈簧圈、保護(hù)電阻、電流傳感器串聯(lián)接入電路,閉合開(kāi)關(guān),得到電路中電流的躍升圖,局部放大后的輪廓如圖10所示,其中圖10(甲)顯示的是電流剛剛開(kāi)始躍升時(shí)的情景,從圖中不難看出電流從1.39 s開(kāi)始躍升,圖10(乙)顯示電流剛剛穩(wěn)定的時(shí)刻為1.40 s,由此可知,插有鐵芯的彈簧圈對(duì)電路中電流的躍升是有延時(shí)作用的,遲滯時(shí)間約為0.01 s．由于人眼的視覺(jué)暫留效應(yīng)因而看不到延遲現(xiàn)象．[2]

圖10

換用變壓器的副線圈和鎮(zhèn)流器重復(fù)以上實(shí)驗(yàn),可以看出明顯的遲滯作用,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖11所示．變壓器的副線圈可以使得電路經(jīng)0.05 s才達(dá)到穩(wěn)定,鎮(zhèn)流器可以使電路經(jīng)0.1 s后才逐漸達(dá)到穩(wěn)定．

圖11

通過(guò)實(shí)驗(yàn),可以看出,剛才那位學(xué)生提出的問(wèn)題應(yīng)該這樣解釋:“嚴(yán)格地說(shuō),學(xué)生常用的滑動(dòng)變阻器也是一個(gè)自感線圈,但是由于圈數(shù)不太多,又沒(méi)有插入鐵芯,所以自感現(xiàn)象極其不明顯,因此,在研究自感現(xiàn)象時(shí)常常將滑動(dòng)變阻器視為純電阻”．如果教師能夠說(shuō)出“通常學(xué)生使用的20 Ω規(guī)格的滑動(dòng)變阻器對(duì)電路中電流的遲滯時(shí)間約為0.01 s”,那么提問(wèn)的這個(gè)學(xué)生一定對(duì)教師的回答會(huì)很滿意．教師在課前充分的準(zhǔn)備換來(lái)的是提問(wèn)學(xué)生由衷的欽佩,這樣對(duì)教與學(xué)的良性互動(dòng)是極其有利的．

2 以上探究實(shí)驗(yàn)給實(shí)驗(yàn)教學(xué)帶來(lái)的啟示

以上探究實(shí)驗(yàn)表明,滑動(dòng)變阻器的確是一個(gè)自感元件．因此教師在進(jìn)行圖4所示的實(shí)驗(yàn)時(shí),如果有學(xué)生提出“滑動(dòng)變阻器也有一圈圈電阻絲,為什么不考慮它帶來(lái)的影響”時(shí)．作為教師不能通過(guò)簡(jiǎn)單的一句“它不是自感線圈”來(lái)應(yīng)付學(xué)生．

由此可見(jiàn),教師深度研究自感實(shí)驗(yàn)中的一些細(xì)節(jié)問(wèn)題是很有必要的．