用圖象法探究自感現象

胡甜

在人教版高中物理選修3-2第四章第六節《自感和互感》這節課中，教師一般是通過演示實驗，使學生認識自感與互感現象，掌握自感和互感的產生原因，培養學生觀察的能力和學習的興趣.本節課是電磁感應的最后一節，前面已經解決了感應電流的產生條件、感應電流的方向判斷（楞次定律）和感應電動勢的大小計算（法拉第電磁感應定律）三大問題，而自感和互感現象是感應電流和感應電動勢的認識提升，并且互感和自感的知識還要為下一章的變壓器和感抗的學習做必不可少的鋪墊.因此，扎實的知識基礎加上有趣而科學的實驗設計可以幫助學生更有效地掌握本節課.而斷電自感現象中，燈泡突然閃亮一下的原因分析是教學中的難點.

對于學習了一年多物理的高中生而言，雖然抽象邏輯思維在個體智力發展中開始占優勢，但在很大程度上，邏輯思維還需要經驗支持，因此從小小的實驗現象引入概念，能夠更為有效的讓學生理解和應用科學概念.同時，高中生興趣愛好日益廣泛，求知欲與好奇心強烈，對學習和科技活動有極大的興趣和愛好，所以新奇的實驗儀器和巧妙的實驗數據更能抓住學生的注意力，使其真正融入到整堂課的學習互動中，使學生對物理的興趣變得更加濃厚，適當地調節著學生的學習情緒，使學生能主動參與探究，善于和同學合作，學會探究未知問題的方法.

為此，教師在講解自感現象時，設置了理論分析、定性實驗和定量測量三個活動，力求通過學生充分的觀察和比較，培養學生的主動思維意識.通常的自制教具為定性實驗，只能大致的看到小燈泡的亮暗變化，用于突破教學重、難點還不夠精確，因此在用小燈泡定性研究感應電流的變化情況的同時，教師可以采用電流傳感器來精密測量電流的變化過程.當然，電流傳感器本身內部也有一些元件會影響測量效果，這樣更能促使學生課后研究誤差的產生原因.

1 通電自感實驗設計

如圖1電路中，兩個小燈泡A1、A2的規格相同.A1與線圈L串聯，A2與可變電阻串聯后接到電源上.先閉合開關，調節電阻R，使兩燈亮度大致相同；再調節可變電阻R1，使其均發光，然后斷開開關S.重新接通開關S，觀察閉合S瞬間兩燈的發光情況.

實驗現象為：A2先亮，A1后亮，最后都亮.教師鼓勵學生嘗試畫出閉合開關后兩燈的電流i1和i2隨時間的大致變化圖象，如圖2所示.大部分學生都能畫出圖象并進行解釋：當線圈中 的電流從無到有時，由于變化的電流在空間產生變化的磁場，導致線圈在電路中起阻礙作用的不僅僅是電阻，還產生了“增反”的阻礙電流變化的作用，所以開關閉合后小段時間內流過A1的電流小于流過A2的電流，A1滯后于A2亮起來.但是這種阻礙作用不是阻止，線圈中的電流仍然要增大，而且當電流增到最大時，這種阻礙就消失了，所以最后兩燈亮度相同.教師此時點明這種阻礙作用的本質：感應電動勢在阻礙原磁通變化，即自感電動勢起到了阻礙電流變化的作用.那能不能精確測量出兩個小燈泡中的電流隨時間的變化情況呢？

然后定量實驗，如圖3用DIS系統中的電流傳感器同時測量A1和A2中的電流，圖4為為實驗結果，和學生的預測分析相似.觀察現象到質疑再改進儀器過渡到DIS精確測量，激發學生的學習積極性和對現代科技的膜拜.

2 斷電自感實驗設計

如圖5電路中，先閉合開關使小燈泡發光，然后斷開開關，注意觀察開關斷開時A燈的亮度.實驗現象為：A燈會閃一下再熄滅.教師可以引導學生進行討論：嘗試畫出A燈的電流隨時間的變化情況，并思考：A燈為什么閃？A燈閃一下再熄滅的條件是什么？學生經過討論，全班有三種典型的結果（如圖6）.接著，鼓勵學生用定量實驗驗證自己的猜想，借助DIS系統中的電流傳感器測量A燈中的電流隨時間的變化情況，如圖7.

電路中的電流減小，線圈中產生與原電流同向的自感電動勢，阻礙電流減小.切斷電源后，線圈內有自感電動勢對燈泡繼續供電，使通過線圈與燈泡組成的回路電流慢慢減小，所以造成燈泡又亮了一會兒才熄滅，而且燈泡中流過電流的方向與原來相反.A燈閃一下再熄滅的條件是開關閉合時流過線圈的電

流iL大于流過燈泡的電流iA，即線圈的直流電阻RL

在探究自感和互感的過程中，采用傳感器的方法精確測出電流的情況有兩個好處：第一，讓學生深層次體會感應電流對原電流的影響，證實自感電動勢的存在；第二，明確線圈中的總電流隨時間的變化率（i-t圖的斜率）的變化情況.這些是傳統的定性試驗做不到的，電流傳感器的微小量程決定了線圈電流的可測性.

課后反思 （1）為了引入DIS電流傳感器測電流，在傳統實驗示教板的基礎上，加了三對導線連接口用來測自感現象中各路電流的變化情況.這樣一來，學生對于燈泡的亮暗情況更清晰和透徹.但是實驗過程中，斷路自感的電流圖象更接近理想情況，通路自感的電流圖象和理想情況差距較大，電流在到達穩定狀態之前存在一個最大值.反復實驗，猜想可能的原因是電流傳感器本身內部也含有線圈，從而導致本支路的電流存在過度增大而來不及阻礙的可能，此原因僅供參考.（2）自制教具中背景和導線的顏色沒有很好地采用對比色，導致后排學生不停地站起來觀察現象，今后會進一步改進好.