自感實驗中電流異常現象分析

陳錦蕓 張軍朋

(華南師范大學物理與電信工程學院,廣東 廣州 510006)

人教版《普通高中物理實驗教科書》對自感現象的教學思路基本如下:先演示通斷電自感現象后引導學生觀察現象并對其原理進行解釋．[1]學生從燈泡亮度的變化情況理解自感的作用,這樣的設計易于學生接受．同時為了響應新課標提出重視信息技術在物理教學中運用的觀點,教材在“做一做”欄目中使用電流傳感器演示自感對電路中電流的影響;并在文中明確指出,不一定需要使用燈泡對比對象,也可以使用電阻作為實驗的儀器．有些學生對此便會產生疑問,如果將燈泡作為實驗儀器,使用傳感器演示自感對電路中電流的影響,又會有什么特別之處呢?

物理是一門實驗、求真的學科,物理教學要保護、支持學生對未知知識的求知探究精神,因此本文將針對使用小燈泡在自感實驗中出現的異常現象進行詳細分析并淺談幾點思考．

1 基于DISlab的演示實驗

使用DISlab傳感器套件中的電流傳感器進行實驗,按照圖1電路圖連接,分別接在兩個規格相同的燈泡A1和A2后面,傳感器的采集頻率為20 Hz．閉合開關,可以在計算機通用軟件界面觀察到流經兩個支路燈泡的電流變化圖像,若流經燈泡的電流為正時,電流曲線位于橫軸上方,反之則電流曲線位于橫軸下方．為了使傳統實驗效果與DISlab實驗效果同時呈現,可以事先調節電阻箱使兩燈泡在通電時亮度大致相同．按照上述操作所得實驗圖像,如圖2所示．(電阻支路為電流傳感器1的圖像,電感支路為電流傳感器2的圖像,下同)

圖1

圖2

經過實驗測試,將出現以下兩種不同的異常現象: (1) 電流的圖像在電阻支路與電感支路均出現峰值,如圖3(a)所示;(2) 電流的圖像在電阻支路出現尖峰,在電感支路沒有出現尖峰,如圖3(b)所示．

可以從圖像中觀察到,通電瞬間,流經燈泡A1的電流先到達一個最高值后再回到一個穩定值,即電流圖像出現一個“尖峰”．而流經燈泡A2的電流則有時會出現“尖峰”,有時則不會出現．若按照電路圖1,將小燈泡均換成電阻,則不會出現上述情況．[2]故筆者猜測電流峰值的出現可能與燈泡的電阻隨溫度的變化而變化有關,那其背后有著如何的規律,筆者針對上述猜想進行了下述實驗．

(a) 規格為4.8 V、0.5 A小燈泡的I-t圖像

(b) 規格為3.8 V、0.3 A小燈泡的I-t圖像

2 實驗驗證及結果分析

2.1 實驗驗證

為驗證上述猜想,筆者選擇形狀相同不同規格的6種燈泡,在相同的電源6.2 V,電阻支路滑動變阻器的阻值為19.2 Ω的條件下進行實驗．在原本的實驗基礎上,分別在燈泡的兩端再增加兩個電壓傳感器,實際測出燈泡電壓的變化,方便得出電流變化過程中,小燈泡電阻的變化．以規格為4.8 V、0.5 A的小燈泡為主的燈泡在實驗過程中,電阻支路與電感支路的電流圖像均出現“尖峰”,如圖4(a)所示;整個實驗過程中,小燈泡電阻的變化情況如圖4(b)所示．(圖中電阻支路為燈泡A1電阻隨時間變化圖像,電感支路為燈泡A2電阻隨時間變化圖像)

圖4

從圖中可以觀察到:電阻支路的電流穩定時間為0.75 s,燈泡A1電阻變化穩定的時間為0.75 s;在閉合開關后,燈泡的阻值較小隨后逐漸增大并穩定在某個阻值．電感支路電流穩定時間為1.35 s,燈泡A2電阻穩定的時間為1.50 s;燈泡電阻穩定的時間明顯長于電流穩定的時間．因此筆者猜測電流圖像出現峰值的情況與電阻穩定的時間有關．為更好地驗證實驗猜想,對其它規格的小燈泡也采用相同的做法,具體的實驗數據如表1所示.

表1 各規格燈泡電流、電阻變化穩定時間表

2.2 結果分析

(1) 電阻支路.

從上述實驗數據中可得:對于電阻支路,電流穩定時間與燈泡A1電阻穩定的時間相同,即當燈泡電阻穩定時,電流也趨于穩定的狀態．根據對燈泡伏安特性曲線實驗的理解,以及燈泡的R-t圖像可知電流圖像出現峰值的原因在于:通電瞬間,燈泡的溫度來不及升高導致其處于低阻狀態,且滑動變阻器對電流的阻礙作用較小,因此通過該支路的電流會瞬間達到一個最大值．隨著燈泡溫度的升高,其阻值也隨之升高,在支路電壓一定的情況下,電流隨著燈泡阻值的增加而減小,最后趨于穩定的狀態,故電流出現會出現一個“尖峰”．

(2) 電感支路.

在電感支路中電流穩定的時間T1與燈泡A2阻值穩定的時間T2之間出現兩種情況．若T1

圖5

由圖像可知,對于電感支路,3.8 V、0.3 A規格的燈泡電壓穩定時間與電阻穩定時間相同,均為0.70 s,電感支路的電壓未出現峰值;對于規格為4.8 V、0.5 A的燈泡而言,電阻穩定的時間為1.60 s,電壓穩定的時間為1.55 s,且電感支路的電壓出現峰值．可見,對于規格為3.8 V,0.3 A的燈泡而言,雖然T1

2.3 實驗再分析

根據上述實驗結果,結合文獻[3]中對燈泡伏安特性曲線性質的分析:假設使用燈泡進行實驗時,當各支路對電流的阻礙作用較大導致電流緩慢增加,此刻燈泡溫度的變化較不明顯．若電流增加的速度足夠慢時,燈泡每一個狀態都可以近似達到動態熱平衡,此時溫度不再是時間的函數,而只與電流有關,即電阻的變化與電流的變化保持一致,電流圖像將不會出現“尖峰”．

為驗證上述實驗結果,在原來的實驗電路中,將電阻支路的滑動變阻器從原來的19.2 Ω增大為37.5 Ω,對比兩種不同情況下電阻支路電流的變化情況．如圖6(a)所示．同時在電感支路中再串聯一個電阻,使支路電阻由原來的10.08 Ω變為15.78 Ω,對比前后電流的變化情況,如圖6(b)所示．

(a) 規格為3.8 V、0.3 A小燈泡的I-t圖像

(b) 規格為6.0 V、0.5 A小燈泡的I-t圖像

從圖5中可知,在電路中增加電阻時,可使電流變化較為緩慢,此時在通電瞬間,電流圖像的“尖峰”變小了或不再出現“尖峰”．

3 結束語

將現代信息技術應用到中學實驗是一種教學趨勢,為實驗探索與研究帶來很多方面的便利,也讓實驗的質量得到大大的提高．在實驗的過程中發現一些與之前理論或者是預測中有些差異的地方,筆者認為在學有余力的情況下,帶領學生去猜想并認識特殊現象后面的本質是非常重要的．通過上述幾組實驗,可以明確得知,通電過程中,自感電路中電流出現的異常現象與燈泡受溫度變化而阻值發生一定變化的關系相關．實際演示過程中,設置好電路中的電阻或選擇恰當的燈泡是可以減緩甚至避免異常現象的產生．

實驗探究過程中雖然簡單,但也花費了筆者大量的時間設計電路．雖然實驗過程中還有未能真正解決的問題,但這也是一個挑戰,一個新的探究方向．作為教師,在教學過程中,只能作為學生探究學習的促進者與幫助者,雖然學生在探究過程中仍會遇到很多無法預料的問題,但是可以在該過程獲得很多僅灌輸教學所學不到的東西與方法．學生在學習過程中發現問題,思考問題,解決問題,在探究中可以獲得更多的喜悅,幫助學生更熱愛這門學科．也希望廣大教師可以在適當的時機給予學生探究體驗的機會,讓學生更愛學習物理,更愛物理的這門學科．