自感現(xiàn)象的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

游峰

【教學(xué)過程】

1 引入新課

師：我們先來玩一個(gè)小游戲，這里有一節(jié)干電池，我直接用手指按住電池的正負(fù)極，會不會觸電？

生：不會.

師：肯定不會，是吧.現(xiàn)在我把它改裝一下，我這個(gè)游戲叫做“千人震”，就是讓很多人體驗(yàn)一下“震”的感覺，或者說，有個(gè)“觸電的感覺”.這個(gè)裝置，仍然只用一節(jié)干電池.一個(gè)支路連上一個(gè)線圈相連，另外一個(gè)支路，就需要同學(xué)們參與一下，誰愿意主動上來體驗(yàn)一下？

演示：準(zhǔn)備好了沒有？我要合上開關(guān)了，沒事（突然斷開，學(xué)生一震）

2 自感

師：剛才這個(gè)游戲中，產(chǎn)生觸電感覺的電流是誰提供的呢？

生：線圈

師：電池本身不會讓人觸電，這個(gè)線圈很神奇啊，它讓我聯(lián)想到了法拉第的線圈.法拉第的線圈神奇的地方在于發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象.請個(gè)同學(xué)回顧一下以前學(xué)過的內(nèi)容.如圖1，閉合開關(guān)S，B線圈中會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢（電流）嗎？如果有，方向如何？

生：會，感應(yīng)電流的磁場與原磁場方向相反，用來阻礙原磁通量的變化.

【演板】黑板上畫出原磁場與感應(yīng)磁場

師：先判斷原磁場的方向，在通電瞬間是增強(qiáng)的，感應(yīng)電流的磁場與之反向.按照安培定則，判斷感應(yīng)電流的方向.

師：我們剛才游戲中的線圈只有一個(gè)，干脆把B線圈去掉，結(jié)合剛才觸電的現(xiàn)象，大家想想，A線圈自身上會發(fā)生電磁感應(yīng)現(xiàn)象嗎？即在A線圈自身上能產(chǎn)生感應(yīng)電動勢嗎？

生：會，或者不會

師：如果會的話，會有什么情況發(fā)生？（若學(xué)生回答不會，就引導(dǎo)，萬一會呢？）

生：阻礙A的變化（師補(bǔ)充完整：這個(gè)感應(yīng)電動勢的效果是阻礙原電流的變化）

【設(shè)想1-通電自感】通電時(shí)，線圈會阻礙自身電流變化，電流是“慢慢增強(qiáng)”.

【設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)】將燈泡與線圈串聯(lián)，通過燈泡亮度的變化來反應(yīng)電流的變化.

步驟1：電流慢慢增大的效果是：燈泡慢慢變亮（效果不明顯）（自感現(xiàn)象演示儀，只露出一個(gè)支路）

是根本沒有我們預(yù)想的效果出現(xiàn)呢？還是效果不明顯呢？

師：我們在研究問題時(shí)，不能粗略的判斷后就放棄自己的設(shè)想，是不是應(yīng)該更加充分的考慮后面這一種情況啊？有可能是“快慢”的視覺效果不明顯？

步驟2：直接看，視覺效果不明顯.怎么辦？對比！我們說某人跑得快，說不清楚，找個(gè)速度不慢的對比一下就可以了.我們可以再加一個(gè)支路與之對比.圖3（撕開報(bào)紙隱藏的支路）

觀察結(jié)果：與R串聯(lián)的燈泡直接變亮；與線圈串聯(lián)的燈泡延后發(fā)光（說明設(shè)想合理）

【提問】與線圈相連的燈泡為什么要過一會才亮？（用哪個(gè)原理可以解釋）

解釋 在接通電路的瞬間，電路中的電流增大，穿過線圈L的磁通量也隨之增大，因而線圈中必然會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，這個(gè)感應(yīng)電動勢對應(yīng)的感應(yīng)電流阻礙線圈中電流的增大，所以通過A2的電流只能逐漸增大，燈泡A2只能逐漸亮起來.

師：如果我將這個(gè)電路的開關(guān)斷開，大家猜猜會發(fā)生什么現(xiàn)象？

生：電流不會馬上消失，而是慢慢變小.A1、A2的熄滅時(shí)間會延后

師補(bǔ)充：電源給A1提供的電流直接沒有了，與A2串聯(lián)的線圈會讓電流逐漸衰減，與A1形成一個(gè)回路，會讓A1、A2一起慢慢熄滅.

【設(shè)想2-斷電自感】斷電時(shí)，線圈會阻礙自身電流變化，電流會“慢慢變?nèi)酢?

步驟1：燈泡慢慢變暗（效果不明顯，基本看不出來）

猜測原因：時(shí)間太短，難以區(qū)分（同學(xué)們思考討論一下，可以如何改進(jìn)）

步驟2：【實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)】學(xué)生可能會提出的方案

方案一：把A1換成電流表

思路：通過電流表來觀察電流是否逐漸變小（圖4）

（結(jié)果：電流表“反應(yīng)太慢”，無法顯示）

方案二：將燈泡A1換成二極管，二極管具有單向?qū)щ娦裕袛郘中是否有電流通過二極管（圖5）；

思路 斷開時(shí)，如果L中電流是逐漸減小，這個(gè)電流通過上方的“二極管”，“二極管”會閃一下.

【提問】：斷開電鍵，通過上方的“二極管”的電流會沿著什么方向？接“二極管”時(shí)正負(fù)極應(yīng)怎樣連接？

解釋 在電路斷開的瞬間，通過線圈的電流突然減弱，穿過線圈的磁通量也就很快減少，因而在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢.雖然這時(shí)電源已經(jīng)斷開，但線圈L和上方支路組成了閉合電路，上方支路中有反向電流通過，二極管的正負(fù)極應(yīng)與原電源正負(fù)極反向.由于二極管的單向?qū)щ娦裕瑪嚯娭安话l(fā)光，斷電之后二極管會閃一下再熄滅.

方案三：干路中接入A3（圖6），觀察A3熄滅時(shí)間是不是比A1、A2延后

（結(jié)果：電流持續(xù)時(shí)間太短，無法顯示）

方案四：電流一大（IL）一小（IA），從亮度上判斷是否有反向電流通過A

（1）把燈泡A和帶鐵芯 的線圈L并聯(lián)在直流電路中.

（2）接通電路，待燈泡正常發(fā)光，斷開電路.

現(xiàn)象：S斷開時(shí)，A 燈突然閃亮一下才熄滅.

解釋 在電路斷開的瞬間，通過線圈的電流突然減弱，穿過線圈的磁通量也就很快減少，因而在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢.雖然這時(shí)電源已經(jīng)斷開，但線圈L和燈泡A組成了閉合電路，在這個(gè)電路中有感應(yīng)電流通過，并且因?yàn)镮L> IA，所以燈泡會閃一下再熄滅.

師：大家有沒有覺得這個(gè)電路很眼熟呢？跟“千人震”的電路結(jié)構(gòu)完全相同，你們就是電路中與線圈并聯(lián)的燈泡啊！

方案五：將燈泡換成電流傳感器，用圖象更清楚的說明電流的變化（圖8）

【傳感器演示實(shí)驗(yàn)-通電自感與斷電自感】通電時(shí)，相比IR，IL逐漸增大，曲線逐漸平緩.斷電時(shí)，IL逐漸減小，曲線逐漸平緩；同時(shí)，IR突然反向，然后隨IL逐漸減小，曲線逐漸平緩（圖9）.

方案六：A2前面加線圈（很難有明顯現(xiàn)象）

讓學(xué)生同時(shí)展開幾個(gè)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行觀察，然后說明元件的工作原理并解釋現(xiàn)象

歸納：

通電自感：有線圈的電路電流只能逐漸增大

斷電自感：有線圈的電路電流只能逐漸減小

特征：有線圈的電路電流不能發(fā)生突變

總結(jié)：自感現(xiàn)象

1.由于導(dǎo)體本身的電流發(fā)生變化而產(chǎn)生的電磁感應(yīng)現(xiàn)象，叫自感現(xiàn)象.

2.自感現(xiàn)象中產(chǎn)生的電動勢叫自感電動勢.

自感電動勢的作用：阻礙導(dǎo)體中原來的電流變化.

注意 “阻礙”不是“阻止”，即對電流的變化起延遲作用.電流原來怎么變化還是怎么變，只是變化變慢了.（而且這個(gè)變化率——斜率是在變小，越往后曲線逐漸平緩）

（由于實(shí)驗(yàn)所占時(shí)間比較長，到此基本上40分鐘就結(jié)束了.后面的內(nèi)容，可以作為課后作業(yè)，讓學(xué)生自己閱讀思考）