自感現象演示實驗的改進研究

王會軍

摘 要：本文結合現行《物理》《電工學》教材中自感現象演示實驗電路，詳細分析了實驗電路存在的不足。同時，針對存在的不足提出了相應的改進措施，并對改進后的實驗電路進行了較為詳細的實驗分析。

關鍵詞：自感現象 實驗 改進

自感現象是由于通過線圈自身的電流發生變化而在線圈中引起的電磁感應現象。自感理論是電磁學中的重要理論，自感現象在電工領域應用十分廣泛。這部分內容比較抽象，單靠理論分析講解，學生難以理解，不容易接受，是教學中的難點。為此，在教學過程中，教師需要通過做好演示實驗來增加學生的直觀認識，幫助學生更好地理解和掌握自感現象的本質，從而實現難點突破，有效地達到教學目的。

在很多《物理》《電工基礎（電類）》《電工學（機械類）》教材中，大多采用以下兩個實驗電路來演示自感現象。

圖1（a）用于演示開關SA閉合時的自感現象。圖中HL1和HL2是兩個規格完全相同的電燈泡，通過調節可變電阻R，可以使兩個燈泡的亮度一樣。在閉合開關SA的瞬間，能夠觀察到燈泡HL2立刻達到正常亮度，而燈泡HL1會延遲一會逐漸變亮，最后兩個燈泡達到同樣亮度。圖1（b）用于演示開關SA斷開時的自感現象。先閉合開關SA，燈泡HL正常發光后，再突然斷開開關SA，可以觀察到燈泡HL會猛然閃亮一下，然后再逐漸熄滅。

一、實驗電路存在的不足

在實際教學過程中，我們發現上述實驗電路存在一些不足。

第一，通、斷電自感實驗分別放在兩套實驗裝置中進行，容易使學生誤認為通、斷電自感現象是發生在不同的電路中，形成圖1（a）中無斷電自感現象、圖1（b）中無通電自感現象的錯覺，從而掩蓋了自感現象的本質。同時，通、斷電實驗放在兩套實驗裝置中進行，操作也相對比較麻煩。

第二，在教學實踐中，很多教師做這兩個演示實驗時，自感現象往往不夠明顯。表現在通電時燈泡HL1逐漸變亮的時間過程太短，斷電時燈泡HL沒有瞬時亮度加強的明顯現象，而后逐漸熄滅的時間過程也太短。

第三，這兩個演示實驗都是通過燈泡的亮度變化來體現自感現象的，但燈泡的亮度變化不能反映自感電動勢的方向。我們做自感現象演示實驗的目的，不僅是為了引入自感的概念，更重要的是為揭示自感的實質提供直觀的感性依據。

二、改進措施與實驗分析

1.改進的實驗電路

通過改進采用如圖2所示實驗電路。

2.實驗分析

（1）當合上開關SA時，二極管VD因為加反向電壓而處于截止狀態，不導通。通過電感線圈與燈泡HL1串聯電路的電流，要發生從無到有的變化，穿過線圈的磁通也隨之增大，這樣在線圈中因為電磁感應而產生感應電流。根據楞次定律，此時感應電流要阻礙線圈中原電流的增大，因此，燈泡HL1會延遲一會逐漸變亮。對于燈泡HL2支路，由于串聯的是線性電阻R，不會發生上述電磁感應現象，所以燈泡HL2在接通電源后立即正常發光。可見，此時圖2與圖1（a）在實質上是一樣的，其實驗結果一致。

（2）當斷開開關SA時，通過線圈的電流突然減小，穿過線圈的磁通量也突然減少，在線圈中必然要產生一個很大的自感電動勢以阻礙原電流的減小。雖然這時電源已被切斷，但感應電動勢加在二極管VD兩端使其導通，線圈與燈泡HL1通過二極管形成閉合回路。在這個回路中有較大的感應電流通過，所以燈泡會猛然閃亮一下再逐漸熄滅。但燈泡HL2支路不會發生上述電磁感應現象，且在此過程中相當于被短接（二極管正向導通時電阻很小），因此在斷開電源后立即熄滅。這與圖1（b）的實驗結果一致。

可見，改進后的實驗電路可以將通、斷電自感實驗放在同一套裝置中進行，既避免了學生產生錯誤認識，有利于揭示自感現象的本質，又操作方便。

自感現象演示實驗的效果是否明顯，關鍵在于電感線圈的選擇。我們知道，線圈通、斷電實驗時燈泡逐漸變亮或逐漸變暗的過程實質上是電感線圈儲存（通電瞬間）或釋放（斷電瞬間）磁場能的過程。在這個過程中，儲存或釋放的磁場能越大，實驗現象就會越明顯。根據可知，要使線圈能夠儲存或釋放足夠的磁場能，必須選用自感系數L較大、直流電阻很小的電感線圈。如在實驗室中有幾只可供選擇的電感線圈，只需用萬用表簡單檢測就可以選出合適的電感線圈。方法是：用萬用表低電阻擋測量電感線圈的電阻。由于自感作用，表針會緩慢地達到穩定阻值。然后再去測量相同阻值的純電阻，此時表針很快達到穩定阻值。選用兩次時間差別越大的電感線圈做演示，效果就越明顯。

在圖2中，我們將線圈做成匝數較多的空心線圈，這樣可以通過在空心線圈中插入鐵芯來對實驗現象進行比較，插入鐵芯時燈泡延遲發光或延遲熄滅的時間會增長。既能使實驗中自感現象更加明顯，又便于說明不同的線圈產生自感磁通的能力不同，進而引入自感系數這一物理量。

在圖2中，燈泡HL2支路兩端并聯了一個發光二極管VD，主要是利用其單向導電性。

第一，在做通電自感實驗時，由于加在二極管兩端的電壓為反向電壓，故二極管不導通，對通電自感現象實驗不發生影響。

第二，在做斷電自感實驗時，由于在開關SA斷開的瞬間線圈兩端會產生自感電動勢，該電動勢加在二極管兩端為正向電壓，故二極管導通，一方面為放電電流提供通路，另一方面把燈泡HL2支路短接掉，減小了回路電阻，可以使斷電自感實驗的效果更加明顯。

第三，采用發光二極管，可以用來顯示自感電動勢的方向。在做斷電自感實驗時，當開關SA斷開瞬間，二極管會猛然閃亮一下而逐漸熄滅，這說明該瞬間二極管必定承受正向電壓而導通，而此時加在二極管兩端的電壓只有自感電動勢。自感電流的方向與自感電動勢的方向一致，這就可以確定自感電動勢的方向。這樣，在觀察自感現象的同時，根據二極管是否發光來判斷出電路中電流的方向，從而確定自感電動勢的方向，為我們揭示自感現象的實質提供直觀的感性依據。

為了使實驗現象更加明顯，我們還可以考慮用測電筆中的氖管代替小燈泡，線圈采用日光燈的鎮流器。為了能更清晰地顯示自感電動勢的方向，我們還可以考慮在燈泡HL1支路中串聯接入一個檢流計，根據檢流計的偏轉方向來顯示自感電動勢的方向。

參考文獻：

[1]安忠，劉炳.中學物理實驗研究[M].北京：高等教育出版社，1986.

（作者單位：三門峽市高級技工學校）endprint

摘 要：本文結合現行《物理》《電工學》教材中自感現象演示實驗電路，詳細分析了實驗電路存在的不足。同時，針對存在的不足提出了相應的改進措施，并對改進后的實驗電路進行了較為詳細的實驗分析。

關鍵詞：自感現象 實驗 改進

自感現象是由于通過線圈自身的電流發生變化而在線圈中引起的電磁感應現象。自感理論是電磁學中的重要理論，自感現象在電工領域應用十分廣泛。這部分內容比較抽象，單靠理論分析講解，學生難以理解，不容易接受，是教學中的難點。為此，在教學過程中，教師需要通過做好演示實驗來增加學生的直觀認識，幫助學生更好地理解和掌握自感現象的本質，從而實現難點突破，有效地達到教學目的。

在很多《物理》《電工基礎（電類）》《電工學（機械類）》教材中，大多采用以下兩個實驗電路來演示自感現象。

圖1（a）用于演示開關SA閉合時的自感現象。圖中HL1和HL2是兩個規格完全相同的電燈泡，通過調節可變電阻R，可以使兩個燈泡的亮度一樣。在閉合開關SA的瞬間，能夠觀察到燈泡HL2立刻達到正常亮度，而燈泡HL1會延遲一會逐漸變亮，最后兩個燈泡達到同樣亮度。圖1（b）用于演示開關SA斷開時的自感現象。先閉合開關SA，燈泡HL正常發光后，再突然斷開開關SA，可以觀察到燈泡HL會猛然閃亮一下，然后再逐漸熄滅。

一、實驗電路存在的不足

在實際教學過程中，我們發現上述實驗電路存在一些不足。

第一，通、斷電自感實驗分別放在兩套實驗裝置中進行，容易使學生誤認為通、斷電自感現象是發生在不同的電路中，形成圖1（a）中無斷電自感現象、圖1（b）中無通電自感現象的錯覺，從而掩蓋了自感現象的本質。同時，通、斷電實驗放在兩套實驗裝置中進行，操作也相對比較麻煩。

第二，在教學實踐中，很多教師做這兩個演示實驗時，自感現象往往不夠明顯。表現在通電時燈泡HL1逐漸變亮的時間過程太短，斷電時燈泡HL沒有瞬時亮度加強的明顯現象，而后逐漸熄滅的時間過程也太短。

第三，這兩個演示實驗都是通過燈泡的亮度變化來體現自感現象的，但燈泡的亮度變化不能反映自感電動勢的方向。我們做自感現象演示實驗的目的，不僅是為了引入自感的概念，更重要的是為揭示自感的實質提供直觀的感性依據。

二、改進措施與實驗分析

1.改進的實驗電路

通過改進采用如圖2所示實驗電路。

2.實驗分析

（1）當合上開關SA時，二極管VD因為加反向電壓而處于截止狀態，不導通。通過電感線圈與燈泡HL1串聯電路的電流，要發生從無到有的變化，穿過線圈的磁通也隨之增大，這樣在線圈中因為電磁感應而產生感應電流。根據楞次定律，此時感應電流要阻礙線圈中原電流的增大，因此，燈泡HL1會延遲一會逐漸變亮。對于燈泡HL2支路，由于串聯的是線性電阻R，不會發生上述電磁感應現象，所以燈泡HL2在接通電源后立即正常發光。可見，此時圖2與圖1（a）在實質上是一樣的，其實驗結果一致。

（2）當斷開開關SA時，通過線圈的電流突然減小，穿過線圈的磁通量也突然減少，在線圈中必然要產生一個很大的自感電動勢以阻礙原電流的減小。雖然這時電源已被切斷，但感應電動勢加在二極管VD兩端使其導通，線圈與燈泡HL1通過二極管形成閉合回路。在這個回路中有較大的感應電流通過，所以燈泡會猛然閃亮一下再逐漸熄滅。但燈泡HL2支路不會發生上述電磁感應現象，且在此過程中相當于被短接（二極管正向導通時電阻很小），因此在斷開電源后立即熄滅。這與圖1（b）的實驗結果一致。

可見，改進后的實驗電路可以將通、斷電自感實驗放在同一套裝置中進行，既避免了學生產生錯誤認識，有利于揭示自感現象的本質，又操作方便。

自感現象演示實驗的效果是否明顯，關鍵在于電感線圈的選擇。我們知道，線圈通、斷電實驗時燈泡逐漸變亮或逐漸變暗的過程實質上是電感線圈儲存（通電瞬間）或釋放（斷電瞬間）磁場能的過程。在這個過程中，儲存或釋放的磁場能越大，實驗現象就會越明顯。根據可知，要使線圈能夠儲存或釋放足夠的磁場能，必須選用自感系數L較大、直流電阻很小的電感線圈。如在實驗室中有幾只可供選擇的電感線圈，只需用萬用表簡單檢測就可以選出合適的電感線圈。方法是：用萬用表低電阻擋測量電感線圈的電阻。由于自感作用，表針會緩慢地達到穩定阻值。然后再去測量相同阻值的純電阻，此時表針很快達到穩定阻值。選用兩次時間差別越大的電感線圈做演示，效果就越明顯。

在圖2中，我們將線圈做成匝數較多的空心線圈，這樣可以通過在空心線圈中插入鐵芯來對實驗現象進行比較，插入鐵芯時燈泡延遲發光或延遲熄滅的時間會增長。既能使實驗中自感現象更加明顯，又便于說明不同的線圈產生自感磁通的能力不同，進而引入自感系數這一物理量。

在圖2中，燈泡HL2支路兩端并聯了一個發光二極管VD，主要是利用其單向導電性。

第一，在做通電自感實驗時，由于加在二極管兩端的電壓為反向電壓，故二極管不導通，對通電自感現象實驗不發生影響。

第二，在做斷電自感實驗時，由于在開關SA斷開的瞬間線圈兩端會產生自感電動勢，該電動勢加在二極管兩端為正向電壓，故二極管導通，一方面為放電電流提供通路，另一方面把燈泡HL2支路短接掉，減小了回路電阻，可以使斷電自感實驗的效果更加明顯。

第三，采用發光二極管，可以用來顯示自感電動勢的方向。在做斷電自感實驗時，當開關SA斷開瞬間，二極管會猛然閃亮一下而逐漸熄滅，這說明該瞬間二極管必定承受正向電壓而導通，而此時加在二極管兩端的電壓只有自感電動勢。自感電流的方向與自感電動勢的方向一致，這就可以確定自感電動勢的方向。這樣，在觀察自感現象的同時，根據二極管是否發光來判斷出電路中電流的方向，從而確定自感電動勢的方向，為我們揭示自感現象的實質提供直觀的感性依據。

為了使實驗現象更加明顯，我們還可以考慮用測電筆中的氖管代替小燈泡，線圈采用日光燈的鎮流器。為了能更清晰地顯示自感電動勢的方向，我們還可以考慮在燈泡HL1支路中串聯接入一個檢流計，根據檢流計的偏轉方向來顯示自感電動勢的方向。

參考文獻：

[1]安忠，劉炳.中學物理實驗研究[M].北京：高等教育出版社，1986.

（作者單位：三門峽市高級技工學校）endprint

摘 要：本文結合現行《物理》《電工學》教材中自感現象演示實驗電路，詳細分析了實驗電路存在的不足。同時，針對存在的不足提出了相應的改進措施，并對改進后的實驗電路進行了較為詳細的實驗分析。

關鍵詞：自感現象 實驗 改進

自感現象是由于通過線圈自身的電流發生變化而在線圈中引起的電磁感應現象。自感理論是電磁學中的重要理論，自感現象在電工領域應用十分廣泛。這部分內容比較抽象，單靠理論分析講解，學生難以理解，不容易接受，是教學中的難點。為此，在教學過程中，教師需要通過做好演示實驗來增加學生的直觀認識，幫助學生更好地理解和掌握自感現象的本質，從而實現難點突破，有效地達到教學目的。

在很多《物理》《電工基礎（電類）》《電工學（機械類）》教材中，大多采用以下兩個實驗電路來演示自感現象。

圖1（a）用于演示開關SA閉合時的自感現象。圖中HL1和HL2是兩個規格完全相同的電燈泡，通過調節可變電阻R，可以使兩個燈泡的亮度一樣。在閉合開關SA的瞬間，能夠觀察到燈泡HL2立刻達到正常亮度，而燈泡HL1會延遲一會逐漸變亮，最后兩個燈泡達到同樣亮度。圖1（b）用于演示開關SA斷開時的自感現象。先閉合開關SA，燈泡HL正常發光后，再突然斷開開關SA，可以觀察到燈泡HL會猛然閃亮一下，然后再逐漸熄滅。

一、實驗電路存在的不足

在實際教學過程中，我們發現上述實驗電路存在一些不足。

第一，通、斷電自感實驗分別放在兩套實驗裝置中進行，容易使學生誤認為通、斷電自感現象是發生在不同的電路中，形成圖1（a）中無斷電自感現象、圖1（b）中無通電自感現象的錯覺，從而掩蓋了自感現象的本質。同時，通、斷電實驗放在兩套實驗裝置中進行，操作也相對比較麻煩。

第二，在教學實踐中，很多教師做這兩個演示實驗時，自感現象往往不夠明顯。表現在通電時燈泡HL1逐漸變亮的時間過程太短，斷電時燈泡HL沒有瞬時亮度加強的明顯現象，而后逐漸熄滅的時間過程也太短。

第三，這兩個演示實驗都是通過燈泡的亮度變化來體現自感現象的，但燈泡的亮度變化不能反映自感電動勢的方向。我們做自感現象演示實驗的目的，不僅是為了引入自感的概念，更重要的是為揭示自感的實質提供直觀的感性依據。

二、改進措施與實驗分析

1.改進的實驗電路

通過改進采用如圖2所示實驗電路。

2.實驗分析

（1）當合上開關SA時，二極管VD因為加反向電壓而處于截止狀態，不導通。通過電感線圈與燈泡HL1串聯電路的電流，要發生從無到有的變化，穿過線圈的磁通也隨之增大，這樣在線圈中因為電磁感應而產生感應電流。根據楞次定律，此時感應電流要阻礙線圈中原電流的增大，因此，燈泡HL1會延遲一會逐漸變亮。對于燈泡HL2支路，由于串聯的是線性電阻R，不會發生上述電磁感應現象，所以燈泡HL2在接通電源后立即正常發光。可見，此時圖2與圖1（a）在實質上是一樣的，其實驗結果一致。

（2）當斷開開關SA時，通過線圈的電流突然減小，穿過線圈的磁通量也突然減少，在線圈中必然要產生一個很大的自感電動勢以阻礙原電流的減小。雖然這時電源已被切斷，但感應電動勢加在二極管VD兩端使其導通，線圈與燈泡HL1通過二極管形成閉合回路。在這個回路中有較大的感應電流通過，所以燈泡會猛然閃亮一下再逐漸熄滅。但燈泡HL2支路不會發生上述電磁感應現象，且在此過程中相當于被短接（二極管正向導通時電阻很小），因此在斷開電源后立即熄滅。這與圖1（b）的實驗結果一致。

可見，改進后的實驗電路可以將通、斷電自感實驗放在同一套裝置中進行，既避免了學生產生錯誤認識，有利于揭示自感現象的本質，又操作方便。

自感現象演示實驗的效果是否明顯，關鍵在于電感線圈的選擇。我們知道，線圈通、斷電實驗時燈泡逐漸變亮或逐漸變暗的過程實質上是電感線圈儲存（通電瞬間）或釋放（斷電瞬間）磁場能的過程。在這個過程中，儲存或釋放的磁場能越大，實驗現象就會越明顯。根據可知，要使線圈能夠儲存或釋放足夠的磁場能，必須選用自感系數L較大、直流電阻很小的電感線圈。如在實驗室中有幾只可供選擇的電感線圈，只需用萬用表簡單檢測就可以選出合適的電感線圈。方法是：用萬用表低電阻擋測量電感線圈的電阻。由于自感作用，表針會緩慢地達到穩定阻值。然后再去測量相同阻值的純電阻，此時表針很快達到穩定阻值。選用兩次時間差別越大的電感線圈做演示，效果就越明顯。

在圖2中，我們將線圈做成匝數較多的空心線圈，這樣可以通過在空心線圈中插入鐵芯來對實驗現象進行比較，插入鐵芯時燈泡延遲發光或延遲熄滅的時間會增長。既能使實驗中自感現象更加明顯，又便于說明不同的線圈產生自感磁通的能力不同，進而引入自感系數這一物理量。

在圖2中，燈泡HL2支路兩端并聯了一個發光二極管VD，主要是利用其單向導電性。

第一，在做通電自感實驗時，由于加在二極管兩端的電壓為反向電壓，故二極管不導通，對通電自感現象實驗不發生影響。

第二，在做斷電自感實驗時，由于在開關SA斷開的瞬間線圈兩端會產生自感電動勢，該電動勢加在二極管兩端為正向電壓，故二極管導通，一方面為放電電流提供通路，另一方面把燈泡HL2支路短接掉，減小了回路電阻，可以使斷電自感實驗的效果更加明顯。

第三，采用發光二極管，可以用來顯示自感電動勢的方向。在做斷電自感實驗時，當開關SA斷開瞬間，二極管會猛然閃亮一下而逐漸熄滅，這說明該瞬間二極管必定承受正向電壓而導通，而此時加在二極管兩端的電壓只有自感電動勢。自感電流的方向與自感電動勢的方向一致，這就可以確定自感電動勢的方向。這樣，在觀察自感現象的同時，根據二極管是否發光來判斷出電路中電流的方向，從而確定自感電動勢的方向，為我們揭示自感現象的實質提供直觀的感性依據。

為了使實驗現象更加明顯，我們還可以考慮用測電筆中的氖管代替小燈泡，線圈采用日光燈的鎮流器。為了能更清晰地顯示自感電動勢的方向，我們還可以考慮在燈泡HL1支路中串聯接入一個檢流計，根據檢流計的偏轉方向來顯示自感電動勢的方向。

參考文獻：

[1]安忠，劉炳.中學物理實驗研究[M].北京：高等教育出版社，1986.

（作者單位：三門峽市高級技工學校）endprint