電流傳感器探究式教學

隨著經濟的發展，傳感器被廣泛應用，各地也在不斷建立數字化實驗室，在研究自感現象時，已不能局限于觀察小燈泡的亮度變化。通過電流傳感器在電路中的使用，我們可以清楚地觀察到，通過電阻或小燈泡的電流的大小和方向即時變化情況，從而可直觀地知道電感線圈在通電和斷電時在電路中所起的作用，清晰地觀察到電路中的電流變化情況，這就為學生加深對自感現象的理解提供了一種很好的途徑。

實驗的準備

自感現象演示實驗在高中物理教學中是一個必做的重要演示實驗，傳統的通電自感演示實驗只能通過燈泡點亮的先后順序說明線圈產生的自感電動勢能阻礙電流的增加；傳統的斷電自感演示實驗，通過小燈泡的閃亮一下后熄滅說明線圈產生的自感電動勢能阻礙電流的減小，但無法描述即時電流的大小變化和方向變化，雖然后來對演示裝置作了改進，在電路中應用了發光二極管，利用二極管的單向導電性來說明電流的方向，但仍無法確定即時電流的變化規律。基于傳感器的計算機實時數據采集和基于計算機數據處理軟件的計算機建模與圖象分析等技術研發成功，很好地解決了這個問題；同時，學校數字化實驗室的建立，為學生利用傳感器探究自感現象提供了物質基礎。

熟悉實驗軟件的操作和使用 由于學生很少接觸數字化實驗室，對朗威數字化信息實驗室（DISLab）實驗軟件7.0版的認識和實驗操作界面知之甚少，因此，在實驗前讓學生了解數字化實驗室及其熟悉實驗軟件的操作和使用是確保實驗成功的重要前提，對采集數據控制面板上數據傳送通道、顯示方式、采集控制、采樣頻率和圖線控制等的使用和選擇做到心中有數。

認識到電流傳感器的作用 電流傳感器的作用相當于一個電流表，但又不是電流表，它與電流表的一個重要區別在于，傳感器與計算機的結合能夠即時反映電流的迅速變化。如采用儀表顯示方式，就是一個電流表；如采用數字顯示方式，能直接得到瞬時電流值；如采用示波顯示方式，能在屏幕上顯示電流隨時間變化的圖象。本實驗原理圖中電流傳感器就用電流表的符號表示，采用示波顯示方式，采樣頻率選擇200Hz。

探究通電線圈對電流的影響

實驗操作 干電池兩節，變壓器（拆掉其中的一只線圈），定值電阻，電鍵，電流傳感器，導線若干。按圖一連接好電路，合上電鍵，觀察到如圖二電流-時間圖象；把圖一中的線圈換成電阻箱，按圖三連接好電路，合上電鍵，觀察到如圖四電流——時間圖象。

實驗現象 沒有線圈的電路中，電鍵合上時，流過電路的電流立即增大；在接有線圈的電路中，電鍵合上時，流過電路的電流逐漸增大。

實驗現象分析 通過對這兩個實驗得到的現象分析，得到通電線圈產生的自感電動勢有阻礙電流變化的作用。

探究斷電自感現象

實驗操作 干電池兩節，電感盒（演示燈泡用），小燈泡，電鍵，電流傳感器，導線若干。按圖五連接好電路，合上電鍵，待電流穩定后，再斷開電鍵，觀察到如圖六電流-時間圖象。

實驗現象 在電鍵合上時，流過小燈泡的電流立即增大后逐漸減小，電路穩定時，流過小燈泡的電流較小，燈泡不亮，在電鍵斷開瞬間，通過小燈泡中的電流突然反向增大后又逐漸減小到零，觀察到小燈泡閃亮一下后熄滅。

實驗現象分析 在電鍵斷開瞬間，燈泡與實際電源已斷開，燈泡閃亮一下后才熄滅，說明了線圈充當了電源的角色，在流過線圈的電流從有到無變化時，線圈中產生了感應電動勢，阻礙電流的減小，把原來儲存的磁場能釋放出來，轉化為電能。

探究通電自感現象

實驗操作 干電池四節，變壓器（拆掉其中的一只線圈），兩個規格相同小燈泡，電鍵，兩個電流傳感器（分別接入數據采集器通道1和通道2），電阻箱，導線若干按圖七連接好電路，合上電鍵，調節電阻箱的阻值，使流過兩燈泡的電流大小相等（或燈泡的亮度相同），斷開電鍵。合上電鍵，待電流穩定后，再斷開電鍵。

實驗現象 我們可以觀察到燈泡A1立即亮，燈泡A2慢慢亮，穩定時兩燈泡的亮度相同，得到如圖八所示的電流和時間的圖象。

實驗現象分析 在電鍵合上瞬間，燈泡A1中的電流立即增大，所以A1立即亮；燈泡A2中的電流為零，此時，線圈可等效成斷路。線圈的存在延緩了電流的增大，因此看到燈泡A2慢慢變亮，與燈泡A1間存在明顯的時間差，這在電流-時間圖象上也有明顯的體現。穩定后，兩燈泡電流大小相等，此時線圈就等效為與電阻箱R阻值相同的電阻。電鍵斷開時，線圈等效成電源，與兩燈泡串聯構成一個閉合回路，使線圈中的電流沿原方向從原穩定值逐漸減小直至為零，因此通過燈泡A2的電流方向不變，慢慢減小，通過燈泡A1的電流方向改變，慢慢減小直至為零，通過圖象對比，兩燈泡中的電流大小保持相等同步逐漸減小。理解圖象中電流逐漸增大或減小的過程中圖線切線的斜率也在逐漸變小，因為圖線的切線斜率就是電流的變化率，即，而自感電動勢，正因為電流變化率的減小使得自感電動勢的逐漸減小，當電流變化率為零時，自感電動勢也減為零。

傳感器探究自感現象的優點

在數字化實驗室利用傳感器探究通電自感和斷電自感，打破了傳統的自感教學方式，從原有的教師課堂演示轉變為學生小組探究，激發學生探究自感現象的興趣同時提高了學生的動手能力；從原有的實驗現象定性展示轉變為數據的定量實時展示，幫助學生獲得直接經驗，直接感知自感現象中的規律，有利于學生建立起完整的物理圖景；從原有的感性化的燈泡亮度變化轉變為高精度的計算機處理后的定量顯示，使自感規律的探究發現更具有嚴謹性和可信性，有利于學生理解自感現象的本質。

（作者單位：江蘇省啟東中學）