自感現(xiàn)象演示裝置改進(jìn)

王理想

（新疆師范大學(xué)附屬中學(xué)，新疆 烏魯木齊 830054）

“互感和自感”教學(xué)中采用如圖1和圖2所示的電路圖教具，演示通電自感和斷電自感實(shí)驗(yàn).

圖1

圖2

優(yōu)點(diǎn)：（1）圖1電路做通電自感實(shí)驗(yàn)，小燈泡A1相對(duì)小燈泡A2發(fā)光延時(shí)現(xiàn)象比較明顯.

（2）圖2電路做斷電自感實(shí)驗(yàn)，小燈泡A相對(duì)之前發(fā)光突然變亮再熄滅現(xiàn)象明顯.

缺點(diǎn)：（1）演示通電自感、斷電自感分別在兩個(gè)不同的電路中進(jìn)行，如果用圖1電路做斷電自感實(shí)驗(yàn)，眼睛觀察不到實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，容易帶給學(xué)生概念理解、規(guī)律探究導(dǎo)向性錯(cuò)誤.

（2）電路中不能直觀地觀察到自感電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生感應(yīng)電流的方向.

經(jīng)過(guò)實(shí)踐，在圖1電路中置入發(fā)光二極管，即可彌補(bǔ)以上的缺點(diǎn)且制作簡(jiǎn)單.介紹如下.

1 工作原理

圖3

發(fā)光二極管 （簡(jiǎn)稱LED）是一種能發(fā)光的半導(dǎo)體電子元件.LED與沒(méi)有極性的白熾燈不同，當(dāng)接上正向電壓，在正向電流流過(guò)時(shí)才能發(fā)光，所需工作電流很小（有的僅10－1mA級(jí)即可發(fā)光）.若接上反向電壓，電流會(huì)更細(xì)小（μA級(jí)），并且不發(fā)光.小電燈泡的工作原理是電流通過(guò)燈絲（鎢絲，熔點(diǎn)達(dá)3000℃以上）時(shí)產(chǎn)生熱量，螺旋狀的燈絲不斷將熱量聚集，使得燈絲的溫度達(dá)2000℃以上，燈絲在處于白熾狀態(tài)時(shí)，就像燒紅了的鐵能發(fā)光一樣而發(fā)出光來(lái).燈絲的溫度越高，發(fā)出的光就越亮，故稱之為白熾燈，所需發(fā)光電流大約102mA.從響應(yīng)時(shí)間來(lái)看，小燈泡的響應(yīng)時(shí)間為ms級(jí)，LED燈的響應(yīng)時(shí)間為ns級(jí).可通過(guò)圖5實(shí)物直觀地給學(xué)生演示：調(diào)節(jié)電位器阻值增大，當(dāng)小燈泡A2幾乎不亮，二極管依舊亮光（如圖3）.

如果用圖1電路做斷電自感實(shí)驗(yàn)，從能量角度分析，儲(chǔ)存在線圈L中的磁場(chǎng)能在S斷開瞬間立即轉(zhuǎn)化為電能釋放，并按一定的比例分給A1、A2、R和本身，A1上獲得能量不足以使其亮度明顯變化或延遲發(fā)光，故人眼觀察不到實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象.

如果在圖1電路中用發(fā)光二極管代替小燈泡，在通電自感中，發(fā)光延時(shí)效果不足以使人眼產(chǎn)生視覺(jué)差異.所以在圖1電路中置入發(fā)光二極管.所以自感現(xiàn)象演示的工作原理電路圖和實(shí)物圖如圖4，圖5.

圖4

圖5

2 制作材料與方法

塑料泡沫板一塊（不用的宣傳標(biāo)語(yǔ)底板）、電位器2只、小燈泡座2個(gè)、小燈泡2只、電感線圈1個(gè)、開關(guān)1個(gè)、發(fā)光二極管50個(gè)，干電池5～6節(jié)、導(dǎo)線若干.先在塑料泡沫板表面粘上一層白紙，按圖4在白紙上畫好電路，仔細(xì)固定發(fā)光二極管，再將元件安裝連接好（如圖5）.

3 實(shí)驗(yàn)步驟及圖示

（1）通電自感.閉合開關(guān)S，調(diào)節(jié)電位器，使兩小燈泡A1、A2正常發(fā)光，亮度大致相同，支路D2、D4發(fā)光二極管發(fā)光顯示出電流方向（如圖6）.斷開開關(guān)S，再閉合開關(guān)S瞬間，即可觀察到小燈泡A1相對(duì)小燈泡A2發(fā)光延時(shí)現(xiàn)象，同時(shí)支路D2、D4發(fā)光二極管發(fā)光顯示出電流方向.可知電流瞬間增大使電感線圈L中產(chǎn)生了左正右負(fù)的自感電動(dòng)勢(shì)阻礙電流流過(guò)小燈泡A1.

圖6

圖7

（2）斷電自感.斷開開關(guān)S瞬間，小燈泡 A1、A2、D2、D4熄滅，眼睛觀察到支路D3發(fā)光二極管閃亮一下同時(shí)顯示出電流方向（如圖7是錄制的視頻中以正常播放速度的播放，顯示的 D、A、A、D都在發(fā)2123光）.可知電流瞬間減小使電感線圈L中產(chǎn)生了左負(fù)右正的自感電動(dòng)勢(shì)流過(guò)支路D3發(fā)光二極管并使其閃亮一下.

4 改進(jìn)裝置優(yōu)點(diǎn)

（1）實(shí)驗(yàn)教具制作簡(jiǎn)單，取材方便.

（2）把通電、斷電自感實(shí)驗(yàn)融為一體，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，這樣學(xué)生觀察到的現(xiàn)象、親身經(jīng)歷的活動(dòng)就多，對(duì)物理概念理解、規(guī)律的探究也相對(duì)容易一些.

（3）如果實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不明顯，可現(xiàn)場(chǎng)錄制視頻，并以正常播放速度的播放，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象非常明顯.

1 黃春如.如何在“通電自感”實(shí)驗(yàn)中觀察到“斷電自感”現(xiàn)象［J］.物理教師，2012（1）.

2 李俊麗.自感現(xiàn)象實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)與制作［J］.物理通報(bào)，2009（4）.