自制感抗影響因素演示儀

王 震，趙雨曦，丁永文

(遼寧師范大學 物理與電子技術學院，遼寧 大連 116029)

電感器對交變電流的作用，是人教版物理選擇性必修第2冊“交流電的描述”中的拓展內容[1]，教材在此設計了2次實驗. 教材中的實驗存在不足之處：

1)實驗通過觀察燈泡的明暗變化得出感抗的概念，在實際演示過程中燈泡的明暗變化瞬間發生，學生視覺上不易察覺，增加了理解感抗概念的難度；

2)直接給出影響感抗大小的因素，知識的抽象程度高，學生不易理解.

為此，對實驗電路進行了改進，自制了感抗影響因素演示儀，學生能夠更加直觀形象地觀察實驗現象，從而深入理解感抗的概念，同時利用實驗探究得出影響感抗的因素，幫助學生真正地理解知識的來龍去脈.

1 演示儀的設計

實驗器材：智能手機1部(安裝頻率發生器軟件)、12 V穩壓直流電源、集成功率放大器(芯片型號LM324)、單刀雙擲開關、電感(線圈匝數可調)、揚聲器、平板電腦.

演示儀實物圖如圖1所示，由單刀雙擲開關控制2條支路，支路1由電源、功率放大器、開關、導線和揚聲器組成，支路2由電源、功率放大器、開關、導線、電感和揚聲器構成.

圖1 演示儀實物圖

2 實驗原理

實驗中，通過手機輸出不同頻率的音頻信號，然后經過電感到達揚聲器. 揚聲器傳出的聲音響度不同，響度越小，表明對交變電流的阻礙越強，即感抗越大. 由于感抗大小不能直接測量，實驗利用聲音響度間接判斷，聲音靠耳朵聽不準確，為了更細致地判斷感抗的變化，還可以用眼睛來觀察. 在使用揚聲器播放聲音的同時利用智能終端平板電腦的音頻分析軟件，實現對聲音響度的實時測量，將聲音信號轉化為圖像，通過圖像的幅值觀察聲音響度的大小，增強實驗效果，加強學生對響度變化的注意.

3 演示儀在教學中的應用

3.1 理解感抗概念

演示儀接到交流電源上，用手機播放一段音樂，音樂經過功率放大器放大，由揚聲器播放，利用單刀雙擲開關控制2條支路，支路1中音樂經導線直接到揚聲器，支路2中音樂先通過電感再到達揚聲器. 分次連接2條支路，發現聲音的響度不同：接通電感時，聲音會大大減弱，這表明電感對交變電流有阻礙作用. 為了描述這種阻礙作用的大小，引入物理量“感抗”.

3.2 探究影響感抗的因素

手機音頻信號經過電感到達揚聲器進行播放，揚聲器傳出的聲音被平板電腦中的音頻分析軟件接收，聲音信號轉化為波形圖像. 圖像橫軸表示音頻信號的頻率，縱軸表示聲音的響度，縱軸的波形幅值越大，說明響度越大，感抗越小.

3.2.1 探究交流頻率對感抗的影響

保持電感線圈為300匝、無鐵芯，即自感一定，手機頻率發生器分別輸出1，2，3 kHz頻率的信號，手機頻率發生器的頻率變化，聲音的響度也會變化. 每次改變信號頻率時，手機輸出聲音的響度必須相同. 為此，每次先接通支路1，調節手機輸出的聲音響度都為同一固定值，再接通支路2，輸入1 kHz的信號，平板電腦接收到聲音，出現波形幅值，保存波形，利用無線網絡同步傳輸到教室電腦并在大屏幕上投影. 重復之前的操作，分別輸入2 kHz和3 kHz的信號，將3次波形圖像共同呈現在大屏幕上(圖2).

(a)1 kHz (b)2 kHz (c)3 kHz圖2 不同頻率交流信號的波形

學生對比圖2圖像，得出結論：當線圈匝數和鐵芯一定時，交流電的頻率越高，響度越小，即感抗越大.

3.2.2 探究電感線圈匝數對感抗的影響

保持線圈無鐵芯并且用手機頻率發生器輸入1 kHz的交變信號，線圈匝數可以通過可插拔的導線進行調節，分別為100,200,300匝，仔細聽聲音響度的變化，同時觀察屏幕上的波形幅值(圖3). 上述探究可以得出結論：交流頻率固定時，線圈匝數越多，感抗越大.

(a)100匝 (b)200匝 (c)300匝 圖3 不同匝數線圈的信號波形

3.2.3 探究線圈鐵芯對感抗的影響

手機輸出1 kHz交變信號，線圈匝數100匝，插入和拔出鐵芯，觀察波形和聲音響度的變化(圖4). 學生得出結論：有鐵芯時，聲音響度減弱，說明線圈自感越大，感抗越大.

(a)無鐵芯 (b)有鐵芯圖4 有無鐵芯的信號波形

對上述實驗現象和結果進行歸納整理，可以得出結論：交流頻率越高,線圈自感越大，電感對交流電的阻礙越強，感抗越大.

3.2.4 感抗的應用——扼流圈

扼流圈是電工和電子技術常用的元件，利用了電感器對交流的阻礙作用，分為高頻扼流圈和低頻扼流圈. 通過探究實驗，學生很容易通過低頻扼流圈和高頻扼流圈的組成解釋其作用效果. 前者的線圈通常纏繞在鐵芯上，有較多匝數，因此自感大，產生的感抗對交變電流的阻礙作用大；后者一般無鐵芯，匝數少，因此自感小，感抗小. 扼流圈對低頻交變電流的阻礙作用微弱，但對高頻交變電流有較強的阻礙作用，引導學生得出結論：低頻扼流圈用來“通直流，阻交流”，高頻扼流圈用來“通直流，通低頻，阻高頻”.

4 結束語

利用演示儀進行實驗，讓學生在探究中建構感抗的概念，通過對比現象，自主發現自感和交流頻率等因素如何影響線圈的感抗，使抽象概念形象化、直觀化. 實驗過程中，由多感官的刺激幫助學生感知現象，獲得信息，整合并得出實驗結論，從而加深學生對物理現象和物理事實的理解[2]. 利用無線網絡同步傳輸等現代信息技術與電感作用教學融合，課堂教學氣氛活躍. 儀器中支路2的電感可以更換為電容器，利用該實驗儀可以探究電容器對交變電流的作用，實現“一器多用”，充分利用了演示實驗教學資源，有利于教師開展探究性教學[3].