物理“自感現象”演示實驗的改進試探

【摘要】針對互感和自感中電動勢方向的判斷問題，在教材演示實驗電路圖4.6-2的基礎上設計出改進型的實驗電路，更直觀地展示實驗，幫助學生對這個內容的理解和掌握。

【關鍵詞】自感現象演示實驗改進

【中圖分類號】G【文獻標識碼】A

【文章編號】0450-9889（2014）06B-0075-01

在高中物理選修3-2第22頁“互感和自感”一節中，教材是用兩個電路圖來分別說明通電自感和斷電自感現象。筆者認為課本中的演示實驗電路圖4.6-2（包括實驗室中的自感現象演示器）沒有做到把感應電動勢的方向展示出來，也就是沒有展示出感應電動勢怎樣阻礙原有電流的變化。在此節內容中，自感電動勢方向的判斷是一個比較抽象、難掌握的知識點，學生學到本節內容時普遍感到難以理解與掌握，顯然，這是本節教學內容的難點之一。查閱很多文獻，關于解決這方面問題的方法很少，在這些方法中幾乎都不能很好地用一種更通俗易懂的方式來把抽象的自感電動勢方向判斷問題進行講解。為此，本文在教材演示實驗電路圖4.6-2的基礎上設計出另一實驗電路（如圖1所示），它除了能很好地演示通電自感和斷電自感現象，同時還能把抽象的自感電動勢的方向用通俗的發光方式給顯示出來，演示效果非常好。

一、實驗電路及元器件參數的選擇

電路如圖1所示，L1和L2為3.8V0.3A的小燈泡，D1和D2為發光二極管，R為50Ω1W的電位器，E為6V電源，自感線圈L筆者用廢舊微波爐的高壓變壓器（1000W）的初級繞阻來做，初級繞阻線粗，可從中間引出抽頭分成BC部分和AB部分（匝數比約為3比2），線圈的設計原則為電感量足夠大，內阻足夠小，K閉合瞬間L1明顯滯后于L2發光，在K閉合和斷開瞬間，L的AB部分產生足夠大的自感電動勢，D1或D2獲得足夠大的正向電壓而導通發光，D1的額定電壓略大于D2的額定電壓，以燈泡L1正常發光時D1剛好不亮為宜。

圖1

二、實驗演示操作步驟與分析

1．演示前閉合K，調節R使L1和L2 亮度相同，再斷開K。

2．通電自感電動勢方向演示。閉合K，可看到L1比L2明顯滯后發光，同時D1在K閉合瞬間閃亮一下后熄滅，而發光二極管D2不亮。這是因為K閉合瞬間L的AB部分產生自感電動勢，方向為A正B負，D1獲得正向電壓導通發光，而D2獲得是逆向電壓，不發光。此時感應電流方向由B向A，與引起自感電動勢的電流方向相反，自感電動勢阻礙了L1支路電流的增加，使L1滯后L2發光。這樣，開關K閉合瞬間，通過發光二極管D1被點亮而發光二極管D2不亮，就可判斷回路I中自感電動勢的方向（也即感應電流方向）為逆時針方向（如圖2所示），此時自感電動勢的方向就被發光二極管D1點亮，直觀地顯示出來了。至于D1閃亮后會熄滅，是因為當電流達到穩定后，AB部分的自感電動勢已消失，AB間直流電阻小（可視為電阻可忽略的導線），D1無電壓降而熄滅。

圖2

3．斷電自感電動勢方向演示。接著步驟2，斷開開關K，可看到D2閃亮一下后熄滅，而D1不亮。這是因為K斷開瞬間L的AB部分產生自感電動勢，其方向為A負B正，D2獲得正向電壓導通發光，而D1獲得的是逆向電壓不亮。此時感應電流方向由A向B，與引起自感電動勢的電流變化方向相同，阻礙了L1支路電流的減小。這樣，開關K在斷開瞬間，自感電動勢的方向就可通過發光二極管D2被點亮而D1不亮，判斷出回路II中的自感電動勢的方向（也即感應電流的方向）為順時針方向（如圖3所示）。此時自感電動勢的方向就通過發光二極管D2被點亮而D1不亮給直觀地顯示了出來。至于D2閃亮后會熄滅，是因為當電流達到穩定后，AB部分的自感電動勢已消失，D2無電壓降而熄滅。

圖3

顯然，通過這樣的實驗電路，能把自感電動勢的方向通過二極管發光的方式，變成可看得見的方法，使抽象的看不見的自感電動勢的方向變成通俗的可看得到發光方式，更讓學生容易理解與掌握。按此實驗電路圖制作出的成品儀器已交付使用，演示實驗收到非常好的效果。在此提醒的一點是，在制作過程中高壓變壓器中間抽頭的引出和發光二極管的選擇是關鍵的一步，希望同行都能以此制作出理想的實驗電路。

（責編盧建龍）