自感現象的創新實驗設計

游峰

【教學過程】

1 引入新課

師：我們先來玩一個小游戲，這里有一節干電池，我直接用手指按住電池的正負極，會不會觸電？

生：不會.

師：肯定不會，是吧.現在我把它改裝一下，我這個游戲叫做“千人震”，就是讓很多人體驗一下“震”的感覺，或者說，有個“觸電的感覺”.這個裝置，仍然只用一節干電池.一個支路連上一個線圈相連，另外一個支路，就需要同學們參與一下，誰愿意主動上來體驗一下？

演示：準備好了沒有？我要合上開關了，沒事（突然斷開，學生一震）

2 自感

師：剛才這個游戲中，產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，這個線圈很神奇啊，它讓我聯想到了法拉第的線圈.法拉第的線圈神奇的地方在于發現了電磁感應現象.請個同學回顧一下以前學過的內容.如圖1，閉合開關S，B線圈中會產生感應電動勢（電流）嗎？如果有，方向如何？

生：會，感應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磁場

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

師：我們剛才游戲中的線圈只有一個，干脆把B線圈去掉，結合剛才觸電的現象，大家想想，A線圈自身上會發生電磁感應現象嗎？即在A線圈自身上能產生感應電動勢嗎？

生：會，或者不會

師：如果會的話，會有什么情況發生？（若學生回答不會，就引導，萬一會呢？）

生：阻礙A的變化（師補充完整：這個感應電動勢的效果是阻礙原電流的變化）

【設想1-通電自感】通電時，線圈會阻礙自身電流變化，電流是“慢慢增強”.

【設計實驗】將燈泡與線圈串聯，通過燈泡亮度的變化來反應電流的變化.

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

是根本沒有我們預想的效果出現呢？還是效果不明顯呢？

師：我們在研究問題時，不能粗略的判斷后就放棄自己的設想，是不是應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，找個速度不慢的對比一下就可以了.我們可以再加一個支路與之對比.圖3（撕開報紙隱藏的支路）

觀察結果：與R串聯的燈泡直接變亮；與線圈串聯的燈泡延后發光（說明設想合理）

【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生感應電動勢，這個感應電動勢對應的感應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：如果我將這個電路的開關斷開，大家猜猜會發生什么現象？

生：電流不會馬上消失，而是慢慢變小.A1、A2的熄滅時間會延后

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

【設想2-斷電自感】斷電時，線圈會阻礙自身電流變化，電流會“慢慢變弱”.

步驟1：燈泡慢慢變暗（效果不明顯，基本看不出來）

猜測原因：時間太短，難以區分（同學們思考討論一下，可以如何改進）

步驟2：【實驗設計】學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）

（結果：電流表“反應太慢”，無法顯示）

方案二：將燈泡A1換成二極管，二極管具有單向導電性，判斷L中是否有電流通過二極管（圖5）；

思路 斷開時，如果L中電流是逐漸減小，這個電流通過上方的“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”時正負極應怎樣連接？

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，因而在線圈中產生感應電動勢.雖然這時電源已經斷開，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，二極管的正負極應與原電源正負極反向.由于二極管的單向導電性，斷電之前不發光，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熄滅時間是不是比A1、A2延后

（結果：電流持續時間太短，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并聯在直流電路中.

（2）接通電路，待燈泡正常發光，斷開電路.

現象：S斷開時，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，因而在線圈中產生感應電動勢.雖然這時電源已經斷開，但線圈L和燈泡A組成了閉合電路，在這個電路中有感應電流通過，并且因為IL> IA，所以燈泡會閃一下再熄滅.

師：大家有沒有覺得這個電路很眼熟呢？跟“千人震”的電路結構完全相同，你們就是電路中與線圈并聯的燈泡啊！

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）

【傳感器演示實驗-通電自感與斷電自感】通電時，相比IR，IL逐漸增大，曲線逐漸平緩.斷電時，IL逐漸減小，曲線逐漸平緩；同時，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（很難有明顯現象）

讓學生同時展開幾個實驗進行觀察，然后說明元件的工作原理并解釋現象

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生突變

總結：自感現象

1.由于導體本身的電流發生變化而產生的電磁感應現象，叫自感現象.

2.自感現象中產生的電動勢叫自感電動勢.

自感電動勢的作用：阻礙導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.（而且這個變化率——斜率是在變小，越往后曲線逐漸平緩）

（由于實驗所占時間比較長，到此基本上40分鐘就結束了.后面的內容，可以作為課后作業，讓學生自己閱讀思考）