利用DIS實驗系統改進自感演示實驗

韓海波

(廣州市番禺區象賢中學 廣東 廣州 511483)

自感現象的實驗演示，在普通高中物理新課程標準中，被列為必做的實驗內容.但不少物理教師感到這個實驗很難做好，而且學生學完這一部分內容后掌握情況普遍不夠理想，思維上總有一些誤區.而將DIS實驗系統引入自感演示實驗的教學中，效果則大不相同.對此，筆者根據自己在教學中的體會談一點感想.

1 傳統實驗所存在的問題

傳統實驗電路圖如圖1和2所示.通、斷電實驗裝置分離，易給學生這樣的錯覺，似乎在一個電路中只在通電時才有自感現象發生，而在另一個電路中則只是在斷電時才有自感現象發生.

圖1 通電自感電路圖 圖2 斷電自感電路圖

在演示斷電自感中為說明小燈泡的熄滅有一個延遲，教材中的演示實驗故意設置成燈泡閃亮一下，這樣的設置盡管是說明了斷電自感現象的存在，但是卻給學生留下了難以磨滅的印象，認為只要是斷電自感小燈泡就一定會閃亮一下；認為斷電過程中，自感電動勢必然很大，遠遠超過電源的電動勢.

自感現象中對自感電動勢方向的判斷是本節課教學的重點，也是一個難點問題;然而教材中演示實驗卻不能直觀地顯示出自感電動勢的方向.

2 利用DIS系統改進傳統實驗

基于以上分析，在教學實踐中筆者體會到，將DIS實驗系統引入自感實驗中將會解決傳統實驗所存在的問題和不足，可收到比較好的教學效果.

2.1 實驗裝置

實驗電路如圖3所示.通電自感和斷電自感合二為一，在原本通電自感電路的兩條支路中連接兩個電流的傳感器.

圖3 基于DIS的自感現象電路圖

2.2 實驗過程及分析

2.2.1 實驗過程

(1)調節滑動變阻器R的阻值，使開關閉合時，小燈泡L1和L2亮度相同.

(2)閉合開關S瞬間，讓學生觀察小燈泡L1和L2的亮度情況.

(3)斷開開關S瞬間，讓學生觀察小燈泡L1和L2的亮度情況.

(4)以上操作的同時用數據采集器采集兩條支路在開關閉合和斷開瞬間電流的變化情況.

2.2.2 實驗現象

(1)閉合開關S瞬間，L2先亮，L1后亮;說明開關閉合瞬間有自感現象發生.

(2)斷開開關S瞬間，小燈泡L1,L2熄滅.因為時間太短，肉眼很難分辨出是逐漸熄滅還是立即熄滅的.

(3)數據采集器采集到的數據圖像如圖4，其中圖線Ⅰ顯示的是L1支路中的電流，圖線Ⅱ顯示的是L2支路中的電流.

2.2.3 對圖像的分析

閉合開關S瞬間，L1支路中的電流是緩慢增大的，而L2支路中的電流是瞬間增加的，說明了通電自感現象的存在；2.9 s時斷開開關S的瞬間，兩條支路的電流都不是立即為零，而是逐漸減小到零.圖線Ⅰ顯示L1支路中電流逐漸減小到零,圖線Ⅱ顯示L2支路中的電流瞬間反向達到峰值再逐漸減小到零;由此證明了斷電自感現象的存在.

結合圖4，對感應電動勢方向做進一步的分析.

圖4 通斷電自感中兩支路電流變化圖像

針對L2支路中的電流瞬間反向進而思考自感電動勢的方向問題.當開關斷開時，線圈L中電流減小，產生自感電動勢，阻礙電流的減小.因此自感電動勢的方向與原電流方向相同，故L1支路中電流是逐漸減小的，如圖線Ⅰ所示.由于此時開關已經斷開，所以燈泡L1、燈泡L2、電阻R、線圈L形成新的回路.感應電流流過L2時，電流方向與原開關閉合時電流方向相反(如圖5);故L2支路中電流是先瞬間反向，再逐漸減小.最后燈泡L1、燈泡L2同時熄滅，如圖線Ⅱ所示.

圖5 開關斷開瞬間電流方向

3 結語

自感現象的發生是瞬間完成的，時間短，可見度小，肉眼不易觀察與分辨.而DIS實驗系統有著強大的數據采集功能，能夠實現實時觀察與動態記錄.利用DIS實驗系統記錄下通電自感和斷電自感現象中電流的變化情況，可以使學生清楚地認識到同一個電路在開關閉合和斷開瞬間都會有自感現象發生.不僅如此，圖像還清晰的反映出了自感電動勢的方向，在看圖、讀圖的過程中學生實現了由定性觀察向定量分析的提升.在此基礎上，教師可以再次演示傳統實驗中的斷電自感，讓學生明確“閃亮一下”的條件.教學實踐中發現，這樣的處理方式收到了比較好的教學效果.

參考文獻

1 保宗悌，姚躍涌，等.普通高中課程標準實驗教科書·物理(3-2).廣州：廣東教育出版社，2005

2 錢揚義.手持技術在理科實驗中的應用研究.北京：高等教育出版社，2003