自感現(xiàn)象演示實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)研究

王會(huì)軍

摘 要：本文結(jié)合現(xiàn)行《物理》《電工學(xué)》教材中自感現(xiàn)象演示實(shí)驗(yàn)電路，詳細(xì)分析了實(shí)驗(yàn)電路存在的不足。同時(shí)，針對(duì)存在的不足提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施，并對(duì)改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)電路進(jìn)行了較為詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)分析。

關(guān)鍵詞：自感現(xiàn)象 實(shí)驗(yàn) 改進(jìn)

自感現(xiàn)象是由于通過線圈自身的電流發(fā)生變化而在線圈中引起的電磁感應(yīng)現(xiàn)象。自感理論是電磁學(xué)中的重要理論，自感現(xiàn)象在電工領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛。這部分內(nèi)容比較抽象，單靠理論分析講解，學(xué)生難以理解，不容易接受，是教學(xué)中的難點(diǎn)。為此，在教學(xué)過程中，教師需要通過做好演示實(shí)驗(yàn)來增加學(xué)生的直觀認(rèn)識(shí)，幫助學(xué)生更好地理解和掌握自感現(xiàn)象的本質(zhì)，從而實(shí)現(xiàn)難點(diǎn)突破，有效地達(dá)到教學(xué)目的。

在很多《物理》《電工基礎(chǔ)（電類）》《電工學(xué)（機(jī)械類）》教材中，大多采用以下兩個(gè)實(shí)驗(yàn)電路來演示自感現(xiàn)象。

圖1（a）用于演示開關(guān)SA閉合時(shí)的自感現(xiàn)象。圖中HL1和HL2是兩個(gè)規(guī)格完全相同的電燈泡，通過調(diào)節(jié)可變電阻R，可以使兩個(gè)燈泡的亮度一樣。在閉合開關(guān)SA的瞬間，能夠觀察到燈泡HL2立刻達(dá)到正常亮度，而燈泡HL1會(huì)延遲一會(huì)逐漸變亮，最后兩個(gè)燈泡達(dá)到同樣亮度。圖1（b）用于演示開關(guān)SA斷開時(shí)的自感現(xiàn)象。先閉合開關(guān)SA，燈泡HL正常發(fā)光后，再突然斷開開關(guān)SA，可以觀察到燈泡HL會(huì)猛然閃亮一下，然后再逐漸熄滅。

一、實(shí)驗(yàn)電路存在的不足

在實(shí)際教學(xué)過程中，我們發(fā)現(xiàn)上述實(shí)驗(yàn)電路存在一些不足。

第一，通、斷電自感實(shí)驗(yàn)分別放在兩套實(shí)驗(yàn)裝置中進(jìn)行，容易使學(xué)生誤認(rèn)為通、斷電自感現(xiàn)象是發(fā)生在不同的電路中，形成圖1（a）中無斷電自感現(xiàn)象、圖1（b）中無通電自感現(xiàn)象的錯(cuò)覺，從而掩蓋了自感現(xiàn)象的本質(zhì)。同時(shí)，通、斷電實(shí)驗(yàn)放在兩套實(shí)驗(yàn)裝置中進(jìn)行，操作也相對(duì)比較麻煩。

第二，在教學(xué)實(shí)踐中，很多教師做這兩個(gè)演示實(shí)驗(yàn)時(shí)，自感現(xiàn)象往往不夠明顯。表現(xiàn)在通電時(shí)燈泡HL1逐漸變亮的時(shí)間過程太短，斷電時(shí)燈泡HL沒有瞬時(shí)亮度加強(qiáng)的明顯現(xiàn)象，而后逐漸熄滅的時(shí)間過程也太短。

第三，這兩個(gè)演示實(shí)驗(yàn)都是通過燈泡的亮度變化來體現(xiàn)自感現(xiàn)象的，但燈泡的亮度變化不能反映自感電動(dòng)勢的方向。我們做自感現(xiàn)象演示實(shí)驗(yàn)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(shí)質(zhì)提供直觀的感性依據(jù)。

二、改進(jìn)措施與實(shí)驗(yàn)分析

1.改進(jìn)的實(shí)驗(yàn)電路

通過改進(jìn)采用如圖2所示實(shí)驗(yàn)電路。

2.實(shí)驗(yàn)分析

（1）當(dāng)合上開關(guān)SA時(shí)，二極管VD因?yàn)榧臃聪螂妷憾幱诮刂範(fàn)顟B(tài)，不導(dǎo)通。通過電感線圈與燈泡HL1串聯(lián)電路的電流，要發(fā)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?yàn)殡姶鸥袘?yīng)而產(chǎn)生感應(yīng)電流。根據(jù)楞次定律，此時(shí)感應(yīng)電流要阻礙線圈中原電流的增大，因此，燈泡HL1會(huì)延遲一會(huì)逐漸變亮。對(duì)于燈泡HL2支路，由于串聯(lián)的是線性電阻R，不會(huì)發(fā)生上述電磁感應(yīng)現(xiàn)象，所以燈泡HL2在接通電源后立即正常發(fā)光。可見，此時(shí)圖2與圖1（a）在實(shí)質(zhì)上是一樣的，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。

（2）當(dāng)斷開開關(guān)SA時(shí)，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(chǎn)生一個(gè)很大的自感電動(dòng)勢以阻礙原電流的減小。雖然這時(shí)電源已被切斷，但感應(yīng)電動(dòng)勢加在二極管VD兩端使其導(dǎo)通，線圈與燈泡HL1通過二極管形成閉合回路。在這個(gè)回路中有較大的感應(yīng)電流通過，所以燈泡會(huì)猛然閃亮一下再逐漸熄滅。但燈泡HL2支路不會(huì)發(fā)生上述電磁感應(yīng)現(xiàn)象，且在此過程中相當(dāng)于被短接（二極管正向?qū)〞r(shí)電阻很小），因此在斷開電源后立即熄滅。這與圖1（b）的實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。

可見，改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)電路可以將通、斷電自感實(shí)驗(yàn)放在同一套裝置中進(jìn)行，既避免了學(xué)生產(chǎn)生錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)，有利于揭示自感現(xiàn)象的本質(zhì)，又操作方便。

自感現(xiàn)象演示實(shí)驗(yàn)的效果是否明顯，關(guān)鍵在于電感線圈的選擇。我們知道，線圈通、斷電實(shí)驗(yàn)時(shí)燈泡逐漸變亮或逐漸變暗的過程實(shí)質(zhì)上是電感線圈儲(chǔ)存（通電瞬間）或釋放（斷電瞬間）磁場能的過程。在這個(gè)過程中，儲(chǔ)存或釋放的磁場能越大，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象就會(huì)越明顯。根據(jù)可知，要使線圈能夠儲(chǔ)存或釋放足夠的磁場能，必須選用自感系數(shù)L較大、直流電阻很小的電感線圈。如在實(shí)驗(yàn)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(huì)緩慢地達(dá)到穩(wěn)定阻值。然后再去測量相同阻值的純電阻，此時(shí)表針很快達(dá)到穩(wěn)定阻值。選用兩次時(shí)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(shù)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(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行比較，插入鐵芯時(shí)燈泡延遲發(fā)光或延遲熄滅的時(shí)間會(huì)增長。既能使實(shí)驗(yàn)中自感現(xiàn)象更加明顯，又便于說明不同的線圈產(chǎn)生自感磁通的能力不同，進(jìn)而引入自感系數(shù)這一物理量。

在圖2中，燈泡HL2支路兩端并聯(lián)了一個(gè)發(fā)光二極管VD，主要是利用其單向?qū)щ娦浴?/p>

第一，在做通電自感實(shí)驗(yàn)時(shí)，由于加在二極管兩端的電壓為反向電壓，故二極管不導(dǎo)通，對(duì)通電自感現(xiàn)象實(shí)驗(yàn)不發(fā)生影響。

第二，在做斷電自感實(shí)驗(yàn)時(shí)，由于在開關(guān)SA斷開的瞬間線圈兩端會(huì)產(chǎn)生自感電動(dòng)勢，該電動(dòng)勢加在二極管兩端為正向電壓，故二極管導(dǎo)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(shí)驗(yàn)的效果更加明顯。

第三，采用發(fā)光二極管，可以用來顯示自感電動(dòng)勢的方向。在做斷電自感實(shí)驗(yàn)時(shí)，當(dāng)開關(guān)SA斷開瞬間，二極管會(huì)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(dǎo)通，而此時(shí)加在二極管兩端的電壓只有自感電動(dòng)勢。自感電流的方向與自感電動(dòng)勢的方向一致，這就可以確定自感電動(dòng)勢的方向。這樣，在觀察自感現(xiàn)象的同時(shí)，根據(jù)二極管是否發(fā)光來判斷出電路中電流的方向，從而確定自感電動(dòng)勢的方向，為我們揭示自感現(xiàn)象的實(shí)質(zhì)提供直觀的感性依據(jù)。

為了使實(shí)驗(yàn)現(xiàn)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(zhèn)流器。為了能更清晰地顯示自感電動(dòng)勢的方向，我們還可以考慮在燈泡HL1支路中串聯(lián)接入一個(gè)檢流計(jì)，根據(jù)檢流計(jì)的偏轉(zhuǎn)方向來顯示自感電動(dòng)勢的方向。

參考文獻(xiàn)：

[1]安忠，劉炳.中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)研究[M].北京：高等教育出版社，1986.

（作者單位：三門峽市高級(jí)技工學(xué)校）endprint

摘 要：本文結(jié)合現(xiàn)行《物理》《電工學(xué)》教材中自感現(xiàn)象演示實(shí)驗(yàn)電路，詳細(xì)分析了實(shí)驗(yàn)電路存在的不足。同時(shí)，針對(duì)存在的不足提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施，并對(duì)改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)電路進(jìn)行了較為詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)分析。

關(guān)鍵詞：自感現(xiàn)象 實(shí)驗(yàn) 改進(jìn)

自感現(xiàn)象是由于通過線圈自身的電流發(fā)生變化而在線圈中引起的電磁感應(yīng)現(xiàn)象。自感理論是電磁學(xué)中的重要理論，自感現(xiàn)象在電工領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛。這部分內(nèi)容比較抽象，單靠理論分析講解，學(xué)生難以理解，不容易接受，是教學(xué)中的難點(diǎn)。為此，在教學(xué)過程中，教師需要通過做好演示實(shí)驗(yàn)來增加學(xué)生的直觀認(rèn)識(shí)，幫助學(xué)生更好地理解和掌握自感現(xiàn)象的本質(zhì)，從而實(shí)現(xiàn)難點(diǎn)突破，有效地達(dá)到教學(xué)目的。

在很多《物理》《電工基礎(chǔ)（電類）》《電工學(xué)（機(jī)械類）》教材中，大多采用以下兩個(gè)實(shí)驗(yàn)電路來演示自感現(xiàn)象。

圖1（a）用于演示開關(guān)SA閉合時(shí)的自感現(xiàn)象。圖中HL1和HL2是兩個(gè)規(guī)格完全相同的電燈泡，通過調(diào)節(jié)可變電阻R，可以使兩個(gè)燈泡的亮度一樣。在閉合開關(guān)SA的瞬間，能夠觀察到燈泡HL2立刻達(dá)到正常亮度，而燈泡HL1會(huì)延遲一會(huì)逐漸變亮，最后兩個(gè)燈泡達(dá)到同樣亮度。圖1（b）用于演示開關(guān)SA斷開時(shí)的自感現(xiàn)象。先閉合開關(guān)SA，燈泡HL正常發(fā)光后，再突然斷開開關(guān)SA，可以觀察到燈泡HL會(huì)猛然閃亮一下，然后再逐漸熄滅。

一、實(shí)驗(yàn)電路存在的不足

在實(shí)際教學(xué)過程中，我們發(fā)現(xiàn)上述實(shí)驗(yàn)電路存在一些不足。

第一，通、斷電自感實(shí)驗(yàn)分別放在兩套實(shí)驗(yàn)裝置中進(jìn)行，容易使學(xué)生誤認(rèn)為通、斷電自感現(xiàn)象是發(fā)生在不同的電路中，形成圖1（a）中無斷電自感現(xiàn)象、圖1（b）中無通電自感現(xiàn)象的錯(cuò)覺，從而掩蓋了自感現(xiàn)象的本質(zhì)。同時(shí)，通、斷電實(shí)驗(yàn)放在兩套實(shí)驗(yàn)裝置中進(jìn)行，操作也相對(duì)比較麻煩。

第二，在教學(xué)實(shí)踐中，很多教師做這兩個(gè)演示實(shí)驗(yàn)時(shí)，自感現(xiàn)象往往不夠明顯。表現(xiàn)在通電時(shí)燈泡HL1逐漸變亮的時(shí)間過程太短，斷電時(shí)燈泡HL沒有瞬時(shí)亮度加強(qiáng)的明顯現(xiàn)象，而后逐漸熄滅的時(shí)間過程也太短。

第三，這兩個(gè)演示實(shí)驗(yàn)都是通過燈泡的亮度變化來體現(xiàn)自感現(xiàn)象的，但燈泡的亮度變化不能反映自感電動(dòng)勢的方向。我們做自感現(xiàn)象演示實(shí)驗(yàn)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(shí)質(zhì)提供直觀的感性依據(jù)。

二、改進(jìn)措施與實(shí)驗(yàn)分析

1.改進(jìn)的實(shí)驗(yàn)電路

通過改進(jìn)采用如圖2所示實(shí)驗(yàn)電路。

2.實(shí)驗(yàn)分析

（1）當(dāng)合上開關(guān)SA時(shí)，二極管VD因?yàn)榧臃聪螂妷憾幱诮刂範(fàn)顟B(tài)，不導(dǎo)通。通過電感線圈與燈泡HL1串聯(lián)電路的電流，要發(fā)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?yàn)殡姶鸥袘?yīng)而產(chǎn)生感應(yīng)電流。根據(jù)楞次定律，此時(shí)感應(yīng)電流要阻礙線圈中原電流的增大，因此，燈泡HL1會(huì)延遲一會(huì)逐漸變亮。對(duì)于燈泡HL2支路，由于串聯(lián)的是線性電阻R，不會(huì)發(fā)生上述電磁感應(yīng)現(xiàn)象，所以燈泡HL2在接通電源后立即正常發(fā)光。可見，此時(shí)圖2與圖1（a）在實(shí)質(zhì)上是一樣的，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。

（2）當(dāng)斷開開關(guān)SA時(shí)，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(chǎn)生一個(gè)很大的自感電動(dòng)勢以阻礙原電流的減小。雖然這時(shí)電源已被切斷，但感應(yīng)電動(dòng)勢加在二極管VD兩端使其導(dǎo)通，線圈與燈泡HL1通過二極管形成閉合回路。在這個(gè)回路中有較大的感應(yīng)電流通過，所以燈泡會(huì)猛然閃亮一下再逐漸熄滅。但燈泡HL2支路不會(huì)發(fā)生上述電磁感應(yīng)現(xiàn)象，且在此過程中相當(dāng)于被短接（二極管正向?qū)〞r(shí)電阻很小），因此在斷開電源后立即熄滅。這與圖1（b）的實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。

可見，改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)電路可以將通、斷電自感實(shí)驗(yàn)放在同一套裝置中進(jìn)行，既避免了學(xué)生產(chǎn)生錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)，有利于揭示自感現(xiàn)象的本質(zhì)，又操作方便。

自感現(xiàn)象演示實(shí)驗(yàn)的效果是否明顯，關(guān)鍵在于電感線圈的選擇。我們知道，線圈通、斷電實(shí)驗(yàn)時(shí)燈泡逐漸變亮或逐漸變暗的過程實(shí)質(zhì)上是電感線圈儲(chǔ)存（通電瞬間）或釋放（斷電瞬間）磁場能的過程。在這個(gè)過程中，儲(chǔ)存或釋放的磁場能越大，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象就會(huì)越明顯。根據(jù)可知，要使線圈能夠儲(chǔ)存或釋放足夠的磁場能，必須選用自感系數(shù)L較大、直流電阻很小的電感線圈。如在實(shí)驗(yàn)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(huì)緩慢地達(dá)到穩(wěn)定阻值。然后再去測量相同阻值的純電阻，此時(shí)表針很快達(dá)到穩(wěn)定阻值。選用兩次時(shí)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(shù)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(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行比較，插入鐵芯時(shí)燈泡延遲發(fā)光或延遲熄滅的時(shí)間會(huì)增長。既能使實(shí)驗(yàn)中自感現(xiàn)象更加明顯，又便于說明不同的線圈產(chǎn)生自感磁通的能力不同，進(jìn)而引入自感系數(shù)這一物理量。

在圖2中，燈泡HL2支路兩端并聯(lián)了一個(gè)發(fā)光二極管VD，主要是利用其單向?qū)щ娦浴?/p>

第一，在做通電自感實(shí)驗(yàn)時(shí)，由于加在二極管兩端的電壓為反向電壓，故二極管不導(dǎo)通，對(duì)通電自感現(xiàn)象實(shí)驗(yàn)不發(fā)生影響。

第二，在做斷電自感實(shí)驗(yàn)時(shí)，由于在開關(guān)SA斷開的瞬間線圈兩端會(huì)產(chǎn)生自感電動(dòng)勢，該電動(dòng)勢加在二極管兩端為正向電壓，故二極管導(dǎo)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(shí)驗(yàn)的效果更加明顯。

第三，采用發(fā)光二極管，可以用來顯示自感電動(dòng)勢的方向。在做斷電自感實(shí)驗(yàn)時(shí)，當(dāng)開關(guān)SA斷開瞬間，二極管會(huì)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(dǎo)通，而此時(shí)加在二極管兩端的電壓只有自感電動(dòng)勢。自感電流的方向與自感電動(dòng)勢的方向一致，這就可以確定自感電動(dòng)勢的方向。這樣，在觀察自感現(xiàn)象的同時(shí)，根據(jù)二極管是否發(fā)光來判斷出電路中電流的方向，從而確定自感電動(dòng)勢的方向，為我們揭示自感現(xiàn)象的實(shí)質(zhì)提供直觀的感性依據(jù)。

為了使實(shí)驗(yàn)現(xiàn)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(zhèn)流器。為了能更清晰地顯示自感電動(dòng)勢的方向，我們還可以考慮在燈泡HL1支路中串聯(lián)接入一個(gè)檢流計(jì)，根據(jù)檢流計(jì)的偏轉(zhuǎn)方向來顯示自感電動(dòng)勢的方向。

參考文獻(xiàn)：

[1]安忠，劉炳.中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)研究[M].北京：高等教育出版社，1986.

（作者單位：三門峽市高級(jí)技工學(xué)校）endprint

摘 要：本文結(jié)合現(xiàn)行《物理》《電工學(xué)》教材中自感現(xiàn)象演示實(shí)驗(yàn)電路，詳細(xì)分析了實(shí)驗(yàn)電路存在的不足。同時(shí)，針對(duì)存在的不足提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施，并對(duì)改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)電路進(jìn)行了較為詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)分析。

關(guān)鍵詞：自感現(xiàn)象 實(shí)驗(yàn) 改進(jìn)

自感現(xiàn)象是由于通過線圈自身的電流發(fā)生變化而在線圈中引起的電磁感應(yīng)現(xiàn)象。自感理論是電磁學(xué)中的重要理論，自感現(xiàn)象在電工領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛。這部分內(nèi)容比較抽象，單靠理論分析講解，學(xué)生難以理解，不容易接受，是教學(xué)中的難點(diǎn)。為此，在教學(xué)過程中，教師需要通過做好演示實(shí)驗(yàn)來增加學(xué)生的直觀認(rèn)識(shí)，幫助學(xué)生更好地理解和掌握自感現(xiàn)象的本質(zhì)，從而實(shí)現(xiàn)難點(diǎn)突破，有效地達(dá)到教學(xué)目的。

在很多《物理》《電工基礎(chǔ)（電類）》《電工學(xué)（機(jī)械類）》教材中，大多采用以下兩個(gè)實(shí)驗(yàn)電路來演示自感現(xiàn)象。

圖1（a）用于演示開關(guān)SA閉合時(shí)的自感現(xiàn)象。圖中HL1和HL2是兩個(gè)規(guī)格完全相同的電燈泡，通過調(diào)節(jié)可變電阻R，可以使兩個(gè)燈泡的亮度一樣。在閉合開關(guān)SA的瞬間，能夠觀察到燈泡HL2立刻達(dá)到正常亮度，而燈泡HL1會(huì)延遲一會(huì)逐漸變亮，最后兩個(gè)燈泡達(dá)到同樣亮度。圖1（b）用于演示開關(guān)SA斷開時(shí)的自感現(xiàn)象。先閉合開關(guān)SA，燈泡HL正常發(fā)光后，再突然斷開開關(guān)SA，可以觀察到燈泡HL會(huì)猛然閃亮一下，然后再逐漸熄滅。

一、實(shí)驗(yàn)電路存在的不足

在實(shí)際教學(xué)過程中，我們發(fā)現(xiàn)上述實(shí)驗(yàn)電路存在一些不足。

第一，通、斷電自感實(shí)驗(yàn)分別放在兩套實(shí)驗(yàn)裝置中進(jìn)行，容易使學(xué)生誤認(rèn)為通、斷電自感現(xiàn)象是發(fā)生在不同的電路中，形成圖1（a）中無斷電自感現(xiàn)象、圖1（b）中無通電自感現(xiàn)象的錯(cuò)覺，從而掩蓋了自感現(xiàn)象的本質(zhì)。同時(shí)，通、斷電實(shí)驗(yàn)放在兩套實(shí)驗(yàn)裝置中進(jìn)行，操作也相對(duì)比較麻煩。

第二，在教學(xué)實(shí)踐中，很多教師做這兩個(gè)演示實(shí)驗(yàn)時(shí)，自感現(xiàn)象往往不夠明顯。表現(xiàn)在通電時(shí)燈泡HL1逐漸變亮的時(shí)間過程太短，斷電時(shí)燈泡HL沒有瞬時(shí)亮度加強(qiáng)的明顯現(xiàn)象，而后逐漸熄滅的時(shí)間過程也太短。

第三，這兩個(gè)演示實(shí)驗(yàn)都是通過燈泡的亮度變化來體現(xiàn)自感現(xiàn)象的，但燈泡的亮度變化不能反映自感電動(dòng)勢的方向。我們做自感現(xiàn)象演示實(shí)驗(yàn)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(shí)質(zhì)提供直觀的感性依據(jù)。

二、改進(jìn)措施與實(shí)驗(yàn)分析

1.改進(jìn)的實(shí)驗(yàn)電路

通過改進(jìn)采用如圖2所示實(shí)驗(yàn)電路。

2.實(shí)驗(yàn)分析

（1）當(dāng)合上開關(guān)SA時(shí)，二極管VD因?yàn)榧臃聪螂妷憾幱诮刂範(fàn)顟B(tài)，不導(dǎo)通。通過電感線圈與燈泡HL1串聯(lián)電路的電流，要發(fā)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?yàn)殡姶鸥袘?yīng)而產(chǎn)生感應(yīng)電流。根據(jù)楞次定律，此時(shí)感應(yīng)電流要阻礙線圈中原電流的增大，因此，燈泡HL1會(huì)延遲一會(huì)逐漸變亮。對(duì)于燈泡HL2支路，由于串聯(lián)的是線性電阻R，不會(huì)發(fā)生上述電磁感應(yīng)現(xiàn)象，所以燈泡HL2在接通電源后立即正常發(fā)光。可見，此時(shí)圖2與圖1（a）在實(shí)質(zhì)上是一樣的，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。

（2）當(dāng)斷開開關(guān)SA時(shí)，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(chǎn)生一個(gè)很大的自感電動(dòng)勢以阻礙原電流的減小。雖然這時(shí)電源已被切斷，但感應(yīng)電動(dòng)勢加在二極管VD兩端使其導(dǎo)通，線圈與燈泡HL1通過二極管形成閉合回路。在這個(gè)回路中有較大的感應(yīng)電流通過，所以燈泡會(huì)猛然閃亮一下再逐漸熄滅。但燈泡HL2支路不會(huì)發(fā)生上述電磁感應(yīng)現(xiàn)象，且在此過程中相當(dāng)于被短接（二極管正向?qū)〞r(shí)電阻很小），因此在斷開電源后立即熄滅。這與圖1（b）的實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。

可見，改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)電路可以將通、斷電自感實(shí)驗(yàn)放在同一套裝置中進(jìn)行，既避免了學(xué)生產(chǎn)生錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)，有利于揭示自感現(xiàn)象的本質(zhì)，又操作方便。

自感現(xiàn)象演示實(shí)驗(yàn)的效果是否明顯，關(guān)鍵在于電感線圈的選擇。我們知道，線圈通、斷電實(shí)驗(yàn)時(shí)燈泡逐漸變亮或逐漸變暗的過程實(shí)質(zhì)上是電感線圈儲(chǔ)存（通電瞬間）或釋放（斷電瞬間）磁場能的過程。在這個(gè)過程中，儲(chǔ)存或釋放的磁場能越大，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象就會(huì)越明顯。根據(jù)可知，要使線圈能夠儲(chǔ)存或釋放足夠的磁場能，必須選用自感系數(shù)L較大、直流電阻很小的電感線圈。如在實(shí)驗(yàn)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(huì)緩慢地達(dá)到穩(wěn)定阻值。然后再去測量相同阻值的純電阻，此時(shí)表針很快達(dá)到穩(wěn)定阻值。選用兩次時(shí)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(shù)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(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行比較，插入鐵芯時(shí)燈泡延遲發(fā)光或延遲熄滅的時(shí)間會(huì)增長。既能使實(shí)驗(yàn)中自感現(xiàn)象更加明顯，又便于說明不同的線圈產(chǎn)生自感磁通的能力不同，進(jìn)而引入自感系數(shù)這一物理量。

在圖2中，燈泡HL2支路兩端并聯(lián)了一個(gè)發(fā)光二極管VD，主要是利用其單向?qū)щ娦浴?/p>

第一，在做通電自感實(shí)驗(yàn)時(shí)，由于加在二極管兩端的電壓為反向電壓，故二極管不導(dǎo)通，對(duì)通電自感現(xiàn)象實(shí)驗(yàn)不發(fā)生影響。

第二，在做斷電自感實(shí)驗(yàn)時(shí)，由于在開關(guān)SA斷開的瞬間線圈兩端會(huì)產(chǎn)生自感電動(dòng)勢，該電動(dòng)勢加在二極管兩端為正向電壓，故二極管導(dǎo)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(shí)驗(yàn)的效果更加明顯。

第三，采用發(fā)光二極管，可以用來顯示自感電動(dòng)勢的方向。在做斷電自感實(shí)驗(yàn)時(shí)，當(dāng)開關(guān)SA斷開瞬間，二極管會(huì)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(dǎo)通，而此時(shí)加在二極管兩端的電壓只有自感電動(dòng)勢。自感電流的方向與自感電動(dòng)勢的方向一致，這就可以確定自感電動(dòng)勢的方向。這樣，在觀察自感現(xiàn)象的同時(shí)，根據(jù)二極管是否發(fā)光來判斷出電路中電流的方向，從而確定自感電動(dòng)勢的方向，為我們揭示自感現(xiàn)象的實(shí)質(zhì)提供直觀的感性依據(jù)。

為了使實(shí)驗(yàn)現(xiàn)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(zhèn)流器。為了能更清晰地顯示自感電動(dòng)勢的方向，我們還可以考慮在燈泡HL1支路中串聯(lián)接入一個(gè)檢流計(jì)，根據(jù)檢流計(jì)的偏轉(zhuǎn)方向來顯示自感電動(dòng)勢的方向。

參考文獻(xiàn)：

[1]安忠，劉炳.中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)研究[M].北京：高等教育出版社，1986.

（作者單位：三門峽市高級(jí)技工學(xué)校）endprint