改进断电自感演示实验的尝试

《改进断电自感演示实验的尝试》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、改进断电自感演示实验的尝试　　自感是电磁感应这一章中的一个重点，如果没有演示实验，实在是比较抽象枯燥，所以绝大多数教师都会在课堂上进行演示，使用的就是教材上的如图1、2所示两个电路，分别演示通、断电时的自感现象.在图1的实验电路中，当开关S接通时，灯L2中的电流立即增大至稳定值，而灯L1支路中由于电流的增大，线圈L产生自感电动势阻碍电流增大，所以灯L1中的电流从零逐渐增大至稳定值，实验现象为开关S接通后，灯L2立即发光而跟线圈L串联的灯L1是在灯L2亮后过一段时间才逐渐亮起来，从而说明电路中电流增大时，“线圈中必然会产生感应电动势，这个电动势阻碍电流的增大”.在图2的电路中，在灯A正常发光

2、时，断开开关，线圈L中电流减小，因此线圈L中产生了感应电动势，阻碍电流的减小，于是在灯L1和线圈L组成的回路中，在开关S断开后仍有电流出现而使灯L1继续发光，实验现象为灯L1过一会儿才渐渐熄灭.由此说明，当通过线圈的电流减弱时，线圈中产生了感应电动势，阻碍了电流的减小.　　1实验中存在的问题5　　在演示通电自感时，由于有另一个灯作为参照，学生能比较清楚的观察到两个灯亮的时间差，实验效果比较好.而在演示断电自感时，只有一个灯，最容易见到的是小灯泡似乎直接就熄灭了.如果小灯泡和线圈选择合适的话，我们能看到小灯泡闪了一下后熄灭.在以往的教学中总是用这个闪一下来说明线圈产生自感电动势使灯泡继续发光

3、然后逐渐熄灭.其实闪一下能说明灯泡的电流突然变大了，但不能说明灯泡中的电流有逐渐减弱的过程.所以断电自感在实际演示中效果并不理想，主要问题是没能表现出灯泡逐渐熄灭的过程，无法体现线圈在电流减小时产生的阻碍作用.如果能用其他器材展示出这个过程，或者像通电自感一样有另外一个灯作参照，效果肯定要好不少.为此笔者进行了一些尝试.　　2对断电自感演示实验改进尝试　　方法1使用示波器　　把示波器并联在图2小灯泡的两端，观察断电时小灯泡的电压变化情况.该方法的优点是使用器材少，无需改变原电路，现象比较明显.缺点是示波器屏幕比较小，光点亮度不够，而且是利用光点的余辉来显示小灯泡的电压变化，学生无法及时观察

4、到，同时也很难保留下来给教师分析.　　方法2使用电流传感器　　在图2中小灯泡所在支路接入电流传感器，利用电流传感器及DIS实验平台观察小灯泡的电流变化.该方法的优点是可以实时记录实验数据，并以图像的形式呈现在电脑或投影仪上，非常直观，而且可以反复观察.缺点是器材昂贵，而且传感器的维修比较麻烦，维护费用高，不利于在广大农村中学中推广.　　方法3对传统电路进行改造，串联一个同样的灯泡作为参照，为了使两个灯泡的亮度相同，在参照灯泡的两端并联一个滑动变阻器，电路如图3所示.5　　实验时，首先闭合电键，然后调整变阻器R的阻值使两个灯泡的亮度相同，照理断开电键可以看到L2比L1后熄灭，但笔者进行了大量

5、的实验发现，两个灯熄灭的时间差几乎无法观察到.倒是在闭合电键时可以观察到L2比L1亮，然后恢复到和L1一样亮，这其实是通电自感的现象，接通瞬间L阻碍电流增加，使得L2中的电流大于L1中的电流，使得L2比L1亮.但最终两个灯电流相同，所以最后一样亮.这和很多练习题中的理论分析完全吻合.照理说灯泡熄灭是点亮的逆过程，现象应该和通电自感一样明显才对，可为什么实际观察不到呢？　　根据RL电路暂态过程理论，自感线圈释放储存的磁场能时，回路中的电流按照指数规律变化如下式：　　i=Ime-t1τ（1）　　（1）式中Im是放电前流过线圈的电流，τ=L1R叫做LR电路时间常数，它决定电路的暂态过程持续时间的

6、长短，R是灯泡电阻与线圈直流电阻之和，L是线圈的自感系数.根据前面的表格，灯泡中的电流为额定电路30%时可看作熄灭，代入公式计算可得　　t=1.2L1R（2）　　改造前经测量小灯泡和线圈的直流电阻之和约为45Ω，线圈自感系数L=0.4H，代入（2）式后算得时间t=0.01s，远小于人眼能观察到的时间差下限0.1s.要使时间差达到0.1s以上，则必须要减小总电阻R，增大自感系数L.为此笔者自己利用实验室的旧的自耦变压器铁芯，使用1mm的漆包线绕制了线圈.经测量线圈L值约为4H，直流电阻约为7Ω左右.实验中使用2.5V，0.3A的小灯泡.如果小灯泡达到额定电压，电阻约为8Ω，根据计算，时间常数

7、约为τ=L/R=0.275s，人眼应该能区分.但经反复实验仍然观察不到预期的现象.为此笔者利用DIS对这两个实验进行了对比.　　3对现象的深入分析　　首先为了搞清楚灯泡亮度与电流的关系，笔者把灯泡中的电流从零到额定电流值分成10等份，然后用照相机记录下灯泡的亮度变化，制成表格如下：　　从表中可以看到当电流达到40%以上时，灯泡的亮度已经能观察到，（由于图片的压缩，看上去40%不太明显），当电流达到80%以上时已经没有昏暗