自感現象演示實驗的教學設計

程 柏

(新疆兵團第七師高級中學，新疆 奎屯 833200)

1 傳統自感演示實驗的不足

新教材[1]繼承傳統自感演示實驗，通過演示通電自感現象中燈泡的延遲發光和斷電自感現象中燈泡的閃亮現象，讓學生認識自感電動勢對電流變化的阻礙作用.通電自感和斷電自感的實驗電路如圖1所示.其中，對于通電自感[圖1(a)]，當接通開關S，可觀察到燈泡A2立刻發光，而燈泡A1逐漸變亮，由此可知，線圈產生的自感電動勢阻礙了電流的增加；對于斷電自感[圖1(b)]，當斷開開關S后，可觀察到燈泡A閃亮后熄滅，說明電感線圈L和燈A組成的回路中在外接電源已斷開的情況下，還有電流通過,這是由于線圈中在斷電時產生的自感電動勢阻礙電流減小所致，即線圈中電流不是突變為0.以上演示實驗在課堂實踐中存在以下問題：

1)通電自感和斷電自感現象分別通過2個不同線圈在不同電路中演示得到，容易導致學生產生圖1(a)所示電路只能產生通電自感，圖1(b)所示電路只能產生斷電自感的錯誤認知.

2)斷電自感閃亮的條件未從實驗中顯現.盡管燈泡閃亮給了學生感官刺激，但燈泡閃亮是否是因為線圈中的電流突然激增而引起的，斷電自感是否一定會導致燈泡閃亮，均無法從圖1(b)中得到答案.

(a)通電自感

3)圖1(b)中燈泡A無法顯示自感電流的方向，從而不能證明線圈中產生的自感電動勢對電流減小的阻礙作用.

4)容易讓學生誤認為圖1(b)中產生的感應電動勢大小與斷電開關動作的快慢有關.

圖2 斷電自感的實驗裝置

2 自感演示實驗的改進

2.1 引入自感概念

設計演示電路如圖3所示，對于純電阻電路[圖3(a)]，當開關S1接通時，電流計指針迅速增大至最大值；當開關S1斷開時，電流計迅速減小至0.用自制線圈替代純電阻得到自感電路[圖3(b)]，重復以上操作，當開關S1接通時，電流計指針緩慢增大至最大值，并且越接近最大值，電流增加越慢；當開關S1斷開時，理想二極管相當于導線，回路中電流變化通過電流計顯示為從最大值逐漸減小至0，并且越接近0，電流變化越慢.

(a)純電阻電路

該演示電路結構簡單、干擾少，通過對比實驗，凸顯出自感實驗的本質現象，學生更容易接受純電阻電路中電流可以突變，而通過電感線圈的電流不能突變，引導學生進一步思考線圈中電流不可突變的原因，從而順利建立自感概念：當線圈中電流變化時，線圈本身會激發感應電動勢，又稱自感電動勢，根據楞次定律，自感電動勢會阻礙線圈中電流的變化，該現象為自感現象.

2.2 確立自感規律

為了進一步加深自感概念的理解，確切看到“延緩熄滅”的規律，凸顯自感的本質，將教材的原始實驗電路改進為圖4所示電路.

圖4 改進后的演示電路2

為了使得時間足夠長，電路中的LED均為16個發光二極管并聯而成的LED組，電流表量程為300 mA.具體操作步驟為：

1)閉合開關S1和S2，調整滑動變阻器R使穩態時的LED1和LED3亮度相同，斷開開關S1.

2)演示通電電感：閉合開關S1，可觀察到電流計指針A2的偏轉速度比A1慢，LED3比LED1亮得緩慢、滯后，以及LED2不亮.

3)演示斷電自感：斷開開關S1，可觀察到電流計A2的指針擺回速度比A1慢，LED3比LED1延緩熄滅，以及斷開開關S1的瞬間，LED3變亮后再與LED2同時熄滅.

以上實驗現象充分彰顯了自感的本質——阻礙電流的變化.

2.3 解惑自感疑難

2.3.1 斷電自感燈泡一定會閃亮嗎？

新教材中關于斷電自感燈泡閃亮的實驗，容易給學生造成“斷電自感就是燈泡一定要閃亮”的前概念，也容易讓學生形成“是線圈中電流激增導致燈泡閃亮”的錯誤認知.針對以上問題，設計如圖5所示電路進行演示[2]，以破除學生的錯誤認知.具體操作如下：

圖5 演示實驗電路3

1)調節滑動變阻器R=0，斷開開關S，可觀察到燈泡閃亮的現象.這是由于電路處于穩態時，線圈中的電流大于燈泡中的電流.由于斷開開關S后，線圈中的電流不能突變，而是從穩態值逐漸下降，造成回路燈泡中的電流突然比原來大，從而出現燈泡閃亮的現象，而并非線圈中電流激增引起的.

2)增大滑動變阻器電阻R，使線圈支路電阻大于燈泡A的電阻，斷開開關S后，未觀察到燈泡閃亮的現象.這是由于電路處于穩態時，線圈中的電流小于燈泡中的電流，當斷開開關S后，線圈中電流從穩態值逐漸下降，造成回路燈泡中的電流比原來小，從而不會出現燈泡閃亮的現象.

2.3.2 斷電自感引起的感應電動勢可任意大嗎？

圖6 演示實驗電路4

2.4 深化自感本質

為什么線圈中的電流不能突變？自感現象的本質為什么被稱為“電磁慣性”[4]？針對以上問題，本文采用類比法，把自感現象及規律和力學現象及規律做了對比，如表1所示.

表1 自感與力學的區別和聯系

在自感現象中，線圈總是保持自身電流不變，產生的自感電動勢總是反抗自身電流發生變化，因此線圈中的電流不能突變，只能緩慢變化.自感現象的本質是電磁慣性，是慣性概念在電磁學中的體現.

3 結束語

本文采用4塊自制電路演示板，共用1個繞制線圈，彌補了傳統自感實驗的不足，設計了更符合物理教學邏輯、學生認知規律的實驗流程.演示電路1呈現了自感最本質的現象，即線圈中的電流是緩慢變化的，從而順利建立了正確的自感概念；演示電路2呈現了LED緩慢變亮和緩慢熄滅的現象，進一步增強了學生對自感規律的理解；演示電路3顯化了斷電自感燈泡閃亮的條件；演示電路4破除了學生對自感電動勢大小與開關動作快慢有關的錯誤認知.另外，本文將自感與力學從本質上進行了科學性的類比，深化了學生對自感的理解，使學生既扎實了基礎知識，又發散了科學思維，并形成了力、電物理本質統一的思想，幫助學生感受物理世界的豐富多彩和簡單和諧，讓學生了解物理規律既具有多樣性，又具有統一性，從而實現物理學的美育.