對《自感現象實驗的改進》的商榷

熊小蘭

(樟樹市第三中學 江西 樟樹 331200)

本刊2011年第10期刊登了《自感現象實驗的改進》[1]一文.在實驗改進方案一“用‘通電自感’電路演示通、斷電自感現象”中，提出用如圖1(原文圖3,下同)所示電路演示通、斷電自感現象.筆者按文中內容操作，使用圖1電路進行的通電自感實驗，不能觀察到原文描述的“D1滯后于D2正常發光”的演示效果.

原文實驗改進部分，在設計方案一中，對通電自感現象的演示效果描述如下：

“3.1 用設計方案一演示通、斷電自感現象

(1)首先閉合圖1中開關S，調節R，R1使LED發光二極管D1,D2達到相同的合適亮度，斷開S.

圖1

(2)再次閉合S，發現D1滯后于D2正常發光，說明L有通電自感.

(3) ……”

1 對該實驗結果質疑的原因分析

圖1中用LED替代燈泡，改進后的通電自感實驗，為何在通電瞬間不能觀察到原裝置中燈泡的延時效果呢？這是由LED發光元件的自身特性決定的.

LED是一種新型的發光元件，它既能發光又具有單向導電性.工作時的工作電壓一般在2～5 V之間；工作電流在5～20 mA之間；工作時的通、斷電響應時間為納秒級.它相對于傳統的燈泡，具有能耗低、光效高、壽命長等一系列優點，由于其節能環保因而逐步替代了傳統燈泡.

鑒于LED的上述特性，特別是工作電流小、響應速度快的特點，使得通電瞬間，線圈L對電流阻礙所引起的電流變化導致LED的發光延時效果，不足以使人眼產生視覺差異.我們按圖1所示電路進行實際操作(實物照片如圖2),電源電壓為6 V,可變電阻用(0～9 999 Ω)電阻箱替代，A1用反向并聯的2只LED替代，A2用20只并聯的LED(寫成“互感”“互”字的LED替代.本該寫成“自感”，但手頭沒有現成的)替代.

圖2

在接通電源后，調節電阻箱R的阻值， D2的亮度會發生改變.斷開S之后，再次閉合S，觀察到上下兩組LED(圖1中的D1,D2)同時發光.選擇匝數更多、鐵芯更大的線圈L重復進行實驗，結果不變.

基于上述實驗結果，我們認為，用圖1所示電路對自感現象實驗的改進不可行.

2 實驗改進

為了達到通、斷電自感現象融為一體的實驗效果，建議采用如下方式進行.

2.1 同一示教板觀察通斷電自感現象的實驗方案

將原文圖1實驗器材中的A1保留，A2用反向并聯的D2和D3替代，如圖3.通電自感實驗中，當開關S閉合瞬間，能明顯發現A1比D2遲亮一會兒；待正常發光后，再斷開開關S，此時可觀察到反向連接的D3能閃亮一下再熄滅.上述結果分別是通、斷電自感所顯現的效果.

圖3

上述方案雖能觀察到明顯的通、斷電自感現象，但觀察到的A1比D2遲亮一會兒的現象，一方面是自感現象作用的結果；另一方面在于燈泡A1和LED通電時的發光機理不同，亮度響應速度存在差異的原因.鎢絲燈泡通電發光的響應速度較LED要慢一些.由于以上原因，使得圖3中改進后的實驗結果受自感線圈L和LED與燈泡響應速度差異等多個因素的影響，此時依據觀察到的現象給出自感現象的結論，不符合科學性原則，不利于學生形成科學嚴謹的思維習慣.

為了驗證是自感的因素占優還是響應速度差異的因素占優？此時可用電阻箱調整成與線圈L等阻值的直流電阻替代L，再進行對比實驗，可以發現,A1比D2滯后發光的時間相比之前明顯縮短，且斷電瞬間不能觀察到線圈L存在時帶給D3閃亮的自感現象.可見，圖3中通電時的延時效果主要是自感線圈L的作用所致.盡管通電自感現象有上述一些原因，但圖1、圖3實驗中，斷電自感現象都能明顯觀察到.在實際的教學中，把上述各實驗方案有機結合起來使用，觀察實驗現象并逐步深入分析，可使學生形成正確的結論，消除心中的疑惑，有利于學生形成科學的思維方法和研究方法.

2.2 只用LED就能顯示通斷電自感現象的實驗方案

鑒于圖3中通電自感現象必須由LED和燈泡共同使用才能顯現出結果的弊端，我們設計了將通、斷電自感現象融為一體且只用LED就能明顯觀察的實驗方案.現介紹如下.

如圖4所示，電源E采用3～6 V干電池，A為0～0.6 A直流電流表，R為0～50 Ω滑動變阻器，線圈用線徑約0.5 mm的漆包線在直徑為2～2.5 cm的PVC管上繞100圈左右,鐵芯用鐵氧體磁芯(或用廢舊彩電行磁芯)，LED1和LED2用小型高亮度管或從廢舊游戲機上拆用.結構原理如圖4所示，實物照片如圖5.

圖4

圖5

實驗步驟：閉合開關S，調整滑動變阻器的阻值，使電流在0.3 A左右且與ab連接的LED1和LED2均不亮，此時LED1雖與電源正向連接，但與之并聯的線圈電阻很小，其兩端的電壓不足以點亮LED1.之后反復通斷開關S，使流過ab線圈中的電流通斷變化(自感產生的條件)，可發現LED1和LED2交替閃亮，這就是線圈中電流變化導致的通、斷電自感現象的結果.

為了進一步論證上述自感現象規律符合電磁感應的一般規律，讓學生感受變化的電流產生變化的磁場，引起磁通量的變化，產生感應電動勢.可在閉合開關S后，用手緩慢提磁芯上半部分，此時磁芯整體可提離桌面.斷開開關S，磁芯上、下部分分離脫落,是因為鐵氧體磁芯為軟磁性材料，線圈中很小的電流就能使其磁化，斷電后失磁又相當快.線圈通電時產生的磁場使磁芯磁化，磁芯上下之間具有吸引力，導致提拿時整體被提起.當斷開開關S時，電流減小導致磁場減弱，磁芯間的吸引力減小，下半部分與上半部分在重力的作用下分離，跌落到桌面.開關通、斷變化，引起電流交替變化，磁場必然變化，磁場的變化導致磁通量的變化在線圈中產生出感應電動勢，作用于 LED1和LED2，使其交替閃亮.

參考文獻

1 景文波．自感現象實驗的改進．物理通報，2011(10)：123～124