巧設(shè)實(shí)驗(yàn)，提升思維，促進(jìn)運(yùn)用——淺析“電感和電容對(duì)交變電流的影響”實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

冀 林 周穎潔

（1.江蘇省常州高級(jí)中學(xué)，江蘇 常州 213000；2常州市田家炳高級(jí)中學(xué)，江蘇 常州 213000）

“電感和電容對(duì)交變電流的影響”是人教版物理選修3-2第5章“交變電流”中第3節(jié)的內(nèi)容.本節(jié)課的知識(shí)目標(biāo)是形成對(duì)電感和電容的4句話認(rèn)識(shí)，即“通直流，阻交流”、“通低頻，阻高頻”、“通交流，隔直流”、“通高頻，阻低頻”.如何讓學(xué)生真正理解進(jìn)而到達(dá)應(yīng)用層次，一直是本節(jié)課比較難以解決的問(wèn)題.如果能有比較好的實(shí)驗(yàn)鋪墊，在實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的基礎(chǔ)上進(jìn)行總結(jié)歸納，無(wú)疑是非常理想的一種教學(xué)方式.下面就結(jié)合這節(jié)課的若干實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，對(duì)以實(shí)驗(yàn)為主的教學(xué)方式做初步的探討.

1 電感和電容對(duì)直流與交變電流的影響比較

演示實(shí)驗(yàn)1.電感對(duì)直流、交變電流的影響.

實(shí)驗(yàn)?zāi)康模海?）比較直流和交流電壓相同時(shí)，小燈泡的亮暗情況.（2）比較有無(wú)電感時(shí)，小燈泡的亮暗情況.

實(shí)驗(yàn)儀器：4V直流電源；4V交流電源；小燈泡（3.8V，0.3A）；電感器（帶閉合鐵芯的線圈）；開(kāi)關(guān)兩只；導(dǎo)線若干.

圖1

實(shí)驗(yàn)電路：如圖1所示.

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：加直流電時(shí)，有、無(wú)電感情況下，小燈泡亮度幾乎不變；加交變電流時(shí)，無(wú)電感情況下小燈泡亮，有電感情況下小燈泡很暗.

總結(jié)規(guī)律：（1）電感對(duì)恒定電流的阻礙作用小；（2）電感對(duì)交變電流的阻礙作用大.

演示實(shí)驗(yàn)2.電容對(duì)直流、交變電流的影響.

實(shí)驗(yàn)?zāi)康模海?）比較直流和交流電壓相同時(shí)，小燈泡的亮暗情況.（2）比較有無(wú)電容時(shí)，小燈泡的亮暗情況.

圖2

實(shí)驗(yàn)儀器：4V直流電源；4V交流電源；小燈泡（3.8V，0.5A）；電容器（470μF）；開(kāi)關(guān)；導(dǎo)線若干.

實(shí)驗(yàn)電路：如圖2所示.

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：加直流電時(shí)，有電容情況下燈泡不亮，無(wú)電容情況下燈泡亮；加交變電流時(shí)，無(wú)電容情況下燈泡亮，有電容情況下燈泡較暗.

總結(jié)規(guī)律：（1）直流電不能夠通過(guò)電容（隔直流）；（2）交變電流能“通過(guò)”電容；（3）電容對(duì)交變電流有阻礙作用.

設(shè)計(jì)意圖：通過(guò)直流、交變電流的比較，回顧復(fù)習(xí)電感和電容在直流電中的作用，初步認(rèn)識(shí)電感和電容在交流電路中的阻礙作用.為接下來(lái)討論兩者在交流電路中的作用進(jìn)行鋪墊.

2 影響電感和電容對(duì)交變電流阻礙作用的因素

分組實(shí)驗(yàn)1.電感大小對(duì)燈泡亮暗程度的影響.

實(shí)驗(yàn)?zāi)康模禾骄侩姼写笮?duì)交變電流的阻礙能力.

實(shí)驗(yàn)儀器：4V交流電源；小燈泡（3.8V，0.3A）；開(kāi)關(guān)；電感器（帶閉合鐵芯可變?cè)褦?shù)的線圈）；導(dǎo)線若干.

實(shí)驗(yàn)電路：如圖3所示.

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及結(jié)論：見(jiàn)表1.

圖3

表1

分組實(shí)驗(yàn)2.電容大小對(duì)燈泡亮暗程度的影響.

實(shí)驗(yàn)?zāi)康模禾骄侩娙荽笮?duì)交變電流的阻礙能力.

實(shí)驗(yàn)儀器：4V交流電源；小燈泡（3.8V，0.3A）；開(kāi)關(guān)；電容器（470μF、1000μF各1個(gè)）；導(dǎo)線若干.

實(shí)驗(yàn)電路：如圖4所示.

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及結(jié)論：見(jiàn)表2.

圖4

表2

設(shè)計(jì)意圖：通過(guò)分組實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Γ骄侩姼小㈦娙荽笮?duì)阻礙交變電流通過(guò)能力的影響.在表格中多列一項(xiàng)其他影響因素的猜想，啟發(fā)學(xué)生聯(lián)系所學(xué)知識(shí)，進(jìn)一步思考，提升思維品質(zhì).

演示實(shí)驗(yàn)3.交變電流頻率高低對(duì)燈泡亮暗程度的影響.

實(shí)驗(yàn)?zāi)康模禾骄款l率對(duì)電感和電容阻礙交變電流能力的影響.

實(shí)驗(yàn)儀器：信號(hào)發(fā)生器（輸出電壓可調(diào)、頻率可調(diào)的正弦交變電流）；小燈泡（3.8V，0.3A）；開(kāi)關(guān)；電感器（無(wú)鐵芯線圈）；電容器（1000μF）；導(dǎo)線若干.

實(shí)驗(yàn)電路：同圖3、圖4.

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：（1）對(duì)于電感，頻率高時(shí)燈泡暗，頻率低時(shí)燈泡亮；（2）對(duì)于電容，頻率高時(shí)燈泡亮，頻率低時(shí)燈泡稍暗.

總結(jié)規(guī)律：（1）頻率越高，電感的阻礙作用越強(qiáng)，電容的阻礙作用越弱；頻率越低，電感的阻礙作用越弱，電容的阻礙作用越強(qiáng).

（2）大量的實(shí)驗(yàn)和數(shù)學(xué)推導(dǎo)表明，可用以下2個(gè)式子反映電感和電容對(duì)交變電流阻礙能力的大小，分別稱之為“感抗”和“容抗”.

設(shè)計(jì)意圖：由于儀器條件的限制，改變交變電流頻率的實(shí)驗(yàn)只能由教師進(jìn)行演示.感抗和容抗的表達(dá)式是課本沒(méi)有給出的，但筆者認(rèn)為有了這2個(gè)表達(dá)式可以從理論上更好地支持實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，并為應(yīng)用規(guī)律分析問(wèn)題做好理論支撐.

3 電感器和電容器在交流電路中的作用

演示實(shí)驗(yàn)4.對(duì)比兩種電感在交變電流頻率高低情況下的燈泡亮暗.

實(shí)驗(yàn)?zāi)康模簩?shí)驗(yàn)與理論相結(jié)合，得出電感器的作用.

圖5

實(shí)驗(yàn)儀器：信號(hào)發(fā)生器（輸出電壓可調(diào)、頻率可調(diào)的正弦交變電流）；小燈泡2只（3.8V，0.3A）；開(kāi)關(guān)；導(dǎo)線若干；電感器L1（無(wú)鐵芯匝數(shù)少線圈，電感較小；電感器L2（有閉合鐵芯匝數(shù)多線圈，電感較大）.

實(shí)驗(yàn)電路：如圖5所示.

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：見(jiàn)表3.

表3

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：電感器的兩類作用為“通直流，阻交流”、“通低頻，阻高頻”.

圖6

演示實(shí)驗(yàn)5.對(duì)比兩種電容在交變電流頻率高低情況下的燈泡亮暗.

實(shí)驗(yàn)?zāi)康模簩?shí)驗(yàn)與理論相結(jié)合，得出電容器的作用.

實(shí)驗(yàn)儀器：信號(hào)發(fā)生器（輸出電壓可調(diào)、頻率可調(diào)的正弦交變電流）；小燈泡2只（3.8V，0.3A）；開(kāi)關(guān)；導(dǎo)線若干；電容器C1（3300μF）；電容器C2（4.7μF）

實(shí)驗(yàn)電路：如圖6所示.

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：見(jiàn)表4.

表4

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：電容器的兩類作用為“通交流，隔直流”；“通高頻，阻低頻”.

設(shè)計(jì)意圖：上面4句話結(jié)論雖然可以根據(jù)理論公式進(jìn)行分析得出，但很難給學(xué)生留下深刻印象.借助于這兩個(gè)對(duì)比實(shí)驗(yàn)，可以很清晰地通過(guò)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，結(jié)合理論公式進(jìn)行理解.低頻扼流圈、高頻扼流圈、高頻旁路電容的概念就能很自然地讓學(xué)生接受.

4 電感器和電容器的應(yīng)用實(shí)例

問(wèn)題：當(dāng)上一級(jí)同時(shí)輸入高頻、低頻兩種信號(hào)，要使下一級(jí)僅輸出高頻或低頻信號(hào)，應(yīng)該在電路上加怎樣的電容或電感實(shí)現(xiàn)效果.試完成圖7空白區(qū)域的電路設(shè)計(jì).

圖7

解決步驟1：結(jié)合理論，提出以下解決方案.如圖8、9、10所示.

圖8

圖9

圖10

解決步驟2：設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，檢驗(yàn)方案是否可行.

（1）相關(guān)設(shè)備：電腦（音頻信號(hào)）；功放（放大音頻信號(hào)）；音箱（播放音頻信號(hào)）；電感（無(wú)鐵芯小線圈）；電容（4.7μF，2200μF各1個(gè)）；導(dǎo)線若干.

（2）電路結(jié)構(gòu)：如圖11所示.

（3）實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：通過(guò)在輸出端之前加3種過(guò)濾電路（如圖8、9、10中虛線框中所示），與未經(jīng)處理的音頻信號(hào)相比較，能夠清晰地聽(tīng)出高頻或低頻信號(hào)被過(guò)濾后的效果.

圖11

設(shè)計(jì)意圖：以設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的方式創(chuàng)設(shè)物理情境，對(duì)學(xué)生的思維能力要求較高，將本節(jié)課的難度提升到超過(guò)教學(xué)要求的層次.但正是通過(guò)具體實(shí)例進(jìn)行演示，真正體現(xiàn)了物理學(xué)規(guī)律的重要價(jià)值之一——推動(dòng)科技的發(fā)展.因此，筆者認(rèn)為該實(shí)驗(yàn)的成功設(shè)計(jì)與演示是本節(jié)課的精華所在.

5 總結(jié)

以上4部分實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)圍繞著電感和電容在電路中的影響展開(kāi)，通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的對(duì)比，有效地化解了知識(shí)理解中的難點(diǎn)，使得規(guī)律易于接受和掌握.與此同時(shí)，通過(guò)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，將理論與實(shí)際運(yùn)用相結(jié)合，調(diào)動(dòng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和思維水平，達(dá)到了三維目標(biāo)的要求.

1 曹會(huì)，張飛.巧設(shè)實(shí)驗(yàn)主線凸顯學(xué)科教學(xué)的“物理味”——“探究感應(yīng)電流產(chǎn)生的條件”展示課回眸［J］.物理教師，2013（2）：34-35，37.