應(yīng)用傳感器優(yōu)化自感教學(xué)

陳 燕

(蘇州市第十中學(xué),江蘇蘇州 215006)

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)應(yīng)用的案例已出現(xiàn)在高中物理新教材中的一些演示實(shí)驗(yàn)和“做一做”等欄目.數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)能使學(xué)生自主探究,實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)方式多樣化.本文討論如何將傳感器應(yīng)用于自感教學(xué)的課堂實(shí)踐,供同仁們參考.

1 應(yīng)用傳感器優(yōu)化自感教學(xué)課堂實(shí)踐

圖1

通過教學(xué)讓學(xué)生理解自感現(xiàn)象是一種電磁感應(yīng)現(xiàn)象——由于導(dǎo)體本身的電流變化而產(chǎn)生的電磁感應(yīng)現(xiàn)象.所謂“自感”,就是線圈自身電流發(fā)生變化時(shí),線圈本身產(chǎn)生感應(yīng)電動勢(若電路閉合,就會產(chǎn)生感應(yīng)電流).這個(gè)自感電動勢總是阻礙原電流的變化.

(1)在教學(xué)中以千人震實(shí)驗(yàn)(如圖1)讓學(xué)生體驗(yàn)斷電自感時(shí)的觸電感覺,千人震實(shí)驗(yàn)效果震撼,學(xué)生瞬間“觸電”興趣盎然,設(shè)置懸念,引入自感新課教學(xué).

(2)做好教材中兩個(gè)傳統(tǒng)的演示實(shí)驗(yàn).

①通電自感演示(電路如圖2).

接通電路,緩慢調(diào)整滑動變阻器的阻值,使兩個(gè)燈泡A1、A2發(fā)光亮度相同;斷開電路后,再接通電路,注意燈泡A1、A2發(fā)光情況,重復(fù)幾次.讓學(xué)生看到每次電路接通時(shí),燈A1總比燈A2滯后一段時(shí)間才亮.引導(dǎo)學(xué)生分析得到在接通電路的瞬間,通過線圈 L電流增大,該電流產(chǎn)生的磁場增強(qiáng),穿過線圈L的磁通量也隨著增大,根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律可知這個(gè)線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢,用楞次定律判斷感應(yīng)電流的磁場阻礙磁通量增加,因而這個(gè)感應(yīng)電動勢與原電流反向,阻礙線圈中電流的增大,所以通過A1的電流只能逐漸增大,燈泡A1只能逐漸亮起來.

圖2

圖3

②斷電自感演示(電路如圖3).

接通電路調(diào)整滑動變阻器的滑動頭,使燈 A發(fā)出微弱的光,斷開開關(guān),觀察燈 A發(fā)光情況,重復(fù)幾次.學(xué)生應(yīng)看到電路斷開時(shí)燈 A閃亮一下再熄滅.

圖4

引導(dǎo)學(xué)生分析得到斷開開關(guān)時(shí),線圈 L中原有的從左向右的電流開始減小,該電流產(chǎn)生的磁場減小,穿過線圈L的磁通量也隨著減小,根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律可知這個(gè)線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢,用楞次定律判斷感應(yīng)電流的磁場阻礙磁通量減小,因而這個(gè)感應(yīng)電動勢與原電流同向,阻礙線圈中電流的減小,由于電源干路已處于斷路狀態(tài),所以線圈中逐漸減小的電流要反向通過燈泡 A.線圈電阻較小,這個(gè)電流比燈泡原來電流大,IL＞IA,所以燈泡閃亮一下再熄滅.

(3)通過電流傳感器借助計(jì)算機(jī)顯示電流隨時(shí)間變化圖像(電路如圖4).

①用電流傳感器得出閉合開關(guān)到斷開開關(guān)過程中通過燈 A電流隨時(shí)間變化的函數(shù)圖線(圖5).閉合開關(guān)電流立刻突然增大,燈泡支路無感應(yīng)電動勢阻礙電流增大;斷開開關(guān)立刻反向增大再逐漸減小到零,所以燈閃亮一下再熄滅.(提示學(xué)生分析千人震斷電有觸電感覺的原因,人與燈泡類似)

圖5

圖6

圖7

減小燈 A的電阻,斷開開關(guān)通過燈 A電流立刻反向(小于正向電流)再逐漸減小到零,燈不會閃亮,見圖6.

②用電流傳感器得出閉合開關(guān)到斷開開關(guān)過程中通過線圈 L電流隨時(shí)間變化的函數(shù)圖線(圖7).閉合開關(guān),感應(yīng)電流逐漸增大,斷開開關(guān),感應(yīng)電流逐漸減小.

圖8

③將并聯(lián)燈泡拆掉,用電流傳感器得出閉合開關(guān)到斷開開關(guān)過程中通過線圈 L的電流隨時(shí)間變化的圖線(圖8).閉合開關(guān)電磁感應(yīng)電流逐漸增大,斷開開關(guān)沒有通路,雖然有感應(yīng)電動勢,但沒有感應(yīng)電流,所以電流立刻為零.

通過電流傳感器借助計(jì)算機(jī)動態(tài)顯示電流隨時(shí)間變化圖像,學(xué)生理解自感更為形象、直觀.

因而由通、斷電實(shí)驗(yàn)得到共同結(jié)論:當(dāng)線圈中的電流發(fā)生變化時(shí),線圈本身產(chǎn)生感應(yīng)電動勢,該電動勢總是阻礙線圈中原來電流變化.

也可創(chuàng)設(shè)條件指導(dǎo)學(xué)生分組應(yīng)用傳感器借助計(jì)算機(jī)自主探究通斷電自感及探究自感系數(shù)與線圈形狀、長短、匝數(shù)、有無鐵芯的關(guān)系,對于自感的理解體會將更深刻.

2 總結(jié)

做好教材中兩個(gè)傳統(tǒng)方式的通、斷電自感演示實(shí)驗(yàn),再應(yīng)用傳感器借助計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)動態(tài)記錄、顯示實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的強(qiáng)大功能,變不見為可見的優(yōu)勢優(yōu)化自感教學(xué).通過電流傳感器借助計(jì)算機(jī)得出閉合開關(guān)到斷開開關(guān)過程中通過燈 A和線圈L電流隨時(shí)間變化的函數(shù)圖線;將并聯(lián)的燈泡拆掉,得出閉合開關(guān)到斷開開關(guān)過程中通過線圈 L電流隨時(shí)間變化的函數(shù)圖線.

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)創(chuàng)設(shè)了一個(gè)新的實(shí)驗(yàn)探究平臺,學(xué)生擺脫數(shù)據(jù)讀取、記錄,公式運(yùn)算和圖線描繪等繁瑣的勞動,有充裕的時(shí)間多角度的感知和探究物理現(xiàn)象,并可從多個(gè)角度對原有實(shí)驗(yàn)進(jìn)行拓展研究.

1 物理課程教材研究開發(fā)中心.物理(選修3-2).北京:人民教育出版社,2004.