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        自感現(xiàn)象演示實(shí)驗(yàn)的教學(xué)設(shè)計(jì)

        2022-11-02 01:12:42
        物理實(shí)驗(yàn) 2022年10期
        關(guān)鍵詞:自感電動勢斷電

        程 柏

        (新疆兵團(tuán)第七師高級中學(xué),新疆 奎屯 833200)

        1 傳統(tǒng)自感演示實(shí)驗(yàn)的不足

        新教材[1]繼承傳統(tǒng)自感演示實(shí)驗(yàn),通過演示通電自感現(xiàn)象中燈泡的延遲發(fā)光和斷電自感現(xiàn)象中燈泡的閃亮現(xiàn)象,讓學(xué)生認(rèn)識自感電動勢對電流變化的阻礙作用.通電自感和斷電自感的實(shí)驗(yàn)電路如圖1所示.其中,對于通電自感[圖1(a)],當(dāng)接通開關(guān)S,可觀察到燈泡A2立刻發(fā)光,而燈泡A1逐漸變亮,由此可知,線圈產(chǎn)生的自感電動勢阻礙了電流的增加;對于斷電自感[圖1(b)],當(dāng)斷開開關(guān)S后,可觀察到燈泡A閃亮后熄滅,說明電感線圈L和燈A組成的回路中在外接電源已斷開的情況下,還有電流通過,這是由于線圈中在斷電時(shí)產(chǎn)生的自感電動勢阻礙電流減小所致,即線圈中電流不是突變?yōu)?.以上演示實(shí)驗(yàn)在課堂實(shí)踐中存在以下問題:

        1)通電自感和斷電自感現(xiàn)象分別通過2個(gè)不同線圈在不同電路中演示得到,容易導(dǎo)致學(xué)生產(chǎn)生圖1(a)所示電路只能產(chǎn)生通電自感,圖1(b)所示電路只能產(chǎn)生斷電自感的錯(cuò)誤認(rèn)知.

        2)斷電自感閃亮的條件未從實(shí)驗(yàn)中顯現(xiàn).盡管燈泡閃亮給了學(xué)生感官刺激,但燈泡閃亮是否是因?yàn)榫€圈中的電流突然激增而引起的,斷電自感是否一定會導(dǎo)致燈泡閃亮,均無法從圖1(b)中得到答案.

        (a)通電自感

        3)圖1(b)中燈泡A無法顯示自感電流的方向,從而不能證明線圈中產(chǎn)生的自感電動勢對電流減小的阻礙作用.

        4)容易讓學(xué)生誤認(rèn)為圖1(b)中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢大小與斷電開關(guān)動作的快慢有關(guān).

        圖2 斷電自感的實(shí)驗(yàn)裝置

        2 自感演示實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)

        2.1 引入自感概念

        設(shè)計(jì)演示電路如圖3所示,對于純電阻電路[圖3(a)],當(dāng)開關(guān)S1接通時(shí),電流計(jì)指針迅速增大至最大值;當(dāng)開關(guān)S1斷開時(shí),電流計(jì)迅速減小至0.用自制線圈替代純電阻得到自感電路[圖3(b)],重復(fù)以上操作,當(dāng)開關(guān)S1接通時(shí),電流計(jì)指針緩慢增大至最大值,并且越接近最大值,電流增加越慢;當(dāng)開關(guān)S1斷開時(shí),理想二極管相當(dāng)于導(dǎo)線,回路中電流變化通過電流計(jì)顯示為從最大值逐漸減小至0,并且越接近0,電流變化越慢.

        (a)純電阻電路

        該演示電路結(jié)構(gòu)簡單、干擾少,通過對比實(shí)驗(yàn),凸顯出自感實(shí)驗(yàn)的本質(zhì)現(xiàn)象,學(xué)生更容易接受純電阻電路中電流可以突變,而通過電感線圈的電流不能突變,引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步思考線圈中電流不可突變的原因,從而順利建立自感概念:當(dāng)線圈中電流變化時(shí),線圈本身會激發(fā)感應(yīng)電動勢,又稱自感電動勢,根據(jù)楞次定律,自感電動勢會阻礙線圈中電流的變化,該現(xiàn)象為自感現(xiàn)象.

        2.2 確立自感規(guī)律

        為了進(jìn)一步加深自感概念的理解,確切看到“延緩熄滅”的規(guī)律,凸顯自感的本質(zhì),將教材的原始實(shí)驗(yàn)電路改進(jìn)為圖4所示電路.

        圖4 改進(jìn)后的演示電路2

        為了使得時(shí)間足夠長,電路中的LED均為16個(gè)發(fā)光二極管并聯(lián)而成的LED組,電流表量程為300 mA.具體操作步驟為:

        1)閉合開關(guān)S1和S2,調(diào)整滑動變阻器R使穩(wěn)態(tài)時(shí)的LED1和LED3亮度相同,斷開開關(guān)S1.

        2)演示通電電感:閉合開關(guān)S1,可觀察到電流計(jì)指針A2的偏轉(zhuǎn)速度比A1慢,LED3比LED1亮得緩慢、滯后,以及LED2不亮.

        3)演示斷電自感:斷開開關(guān)S1,可觀察到電流計(jì)A2的指針擺回速度比A1慢,LED3比LED1延緩熄滅,以及斷開開關(guān)S1的瞬間,LED3變亮后再與LED2同時(shí)熄滅.

        以上實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象充分彰顯了自感的本質(zhì)——阻礙電流的變化.

        2.3 解惑自感疑難

        2.3.1 斷電自感燈泡一定會閃亮嗎?

        新教材中關(guān)于斷電自感燈泡閃亮的實(shí)驗(yàn),容易給學(xué)生造成“斷電自感就是燈泡一定要閃亮”的前概念,也容易讓學(xué)生形成“是線圈中電流激增導(dǎo)致燈泡閃亮”的錯(cuò)誤認(rèn)知.針對以上問題,設(shè)計(jì)如圖5所示電路進(jìn)行演示[2],以破除學(xué)生的錯(cuò)誤認(rèn)知.具體操作如下:

        圖5 演示實(shí)驗(yàn)電路3

        1)調(diào)節(jié)滑動變阻器R=0,斷開開關(guān)S,可觀察到燈泡閃亮的現(xiàn)象.這是由于電路處于穩(wěn)態(tài)時(shí),線圈中的電流大于燈泡中的電流.由于斷開開關(guān)S后,線圈中的電流不能突變,而是從穩(wěn)態(tài)值逐漸下降,造成回路燈泡中的電流突然比原來大,從而出現(xiàn)燈泡閃亮的現(xiàn)象,而并非線圈中電流激增引起的.

        2)增大滑動變阻器電阻R,使線圈支路電阻大于燈泡A的電阻,斷開開關(guān)S后,未觀察到燈泡閃亮的現(xiàn)象.這是由于電路處于穩(wěn)態(tài)時(shí),線圈中的電流小于燈泡中的電流,當(dāng)斷開開關(guān)S后,線圈中電流從穩(wěn)態(tài)值逐漸下降,造成回路燈泡中的電流比原來小,從而不會出現(xiàn)燈泡閃亮的現(xiàn)象.

        2.3.2 斷電自感引起的感應(yīng)電動勢可任意大嗎?

        圖6 演示實(shí)驗(yàn)電路4

        2.4 深化自感本質(zhì)

        為什么線圈中的電流不能突變?自感現(xiàn)象的本質(zhì)為什么被稱為“電磁慣性”[4]?針對以上問題,本文采用類比法,把自感現(xiàn)象及規(guī)律和力學(xué)現(xiàn)象及規(guī)律做了對比,如表1所示.

        表1 自感與力學(xué)的區(qū)別和聯(lián)系

        在自感現(xiàn)象中,線圈總是保持自身電流不變,產(chǎn)生的自感電動勢總是反抗自身電流發(fā)生變化,因此線圈中的電流不能突變,只能緩慢變化.自感現(xiàn)象的本質(zhì)是電磁慣性,是慣性概念在電磁學(xué)中的體現(xiàn).

        3 結(jié)束語

        本文采用4塊自制電路演示板,共用1個(gè)繞制線圈,彌補(bǔ)了傳統(tǒng)自感實(shí)驗(yàn)的不足,設(shè)計(jì)了更符合物理教學(xué)邏輯、學(xué)生認(rèn)知規(guī)律的實(shí)驗(yàn)流程.演示電路1呈現(xiàn)了自感最本質(zhì)的現(xiàn)象,即線圈中的電流是緩慢變化的,從而順利建立了正確的自感概念;演示電路2呈現(xiàn)了LED緩慢變亮和緩慢熄滅的現(xiàn)象,進(jìn)一步增強(qiáng)了學(xué)生對自感規(guī)律的理解;演示電路3顯化了斷電自感燈泡閃亮的條件;演示電路4破除了學(xué)生對自感電動勢大小與開關(guān)動作快慢有關(guān)的錯(cuò)誤認(rèn)知.另外,本文將自感與力學(xué)從本質(zhì)上進(jìn)行了科學(xué)性的類比,深化了學(xué)生對自感的理解,使學(xué)生既扎實(shí)了基礎(chǔ)知識,又發(fā)散了科學(xué)思維,并形成了力、電物理本質(zhì)統(tǒng)一的思想,幫助學(xué)生感受物理世界的豐富多彩和簡單和諧,讓學(xué)生了解物理規(guī)律既具有多樣性,又具有統(tǒng)一性,從而實(shí)現(xiàn)物理學(xué)的美育.

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