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1、用同一电路演示通、断电自感现象值得商榷唐柏忠 （浙江省余姚市第二中学浙江余姚）自感现象是一种特殊的电磁感应现象。自感现象比较抽象，学生对自感现象缺乏感性的认识，为此，教材先通过演示实验来介绍自感现象，然后再分析这一现象，所以这节课的关键在于做好演示实验。现行高中物理教材通过图和 图来演示通电和断电自感现象。为了改善实验效果，许多物理教师提出了不同的改进方法，但采用同一个电路来演示通电和断电自感现象注，笔者认为值得商榷。现以教学仪器与实验年第期夏老师的电路设计为例进行分析。图 图 图一、 问题的提出夏老师采用图所示的电路进行实验。采用器材：A1、A2为规格相同的小灯泡(62V 05A)；L为J2
2、423的可拆变压器，用红色的800匝线圈； D1、D2为高亮度发光二极管； E为6V稳压电源。得到的实验现象及分析：(1)通电自感现象演示。调节好电路，接通电路时可以看到，小灯泡A1比发光二极管D1、小灯泡A2滞后发光。这一过程说明S接通后，在L中产生了感应电动势，感应电动势阻碍L中的电流增大，所以跟L串联的小灯泡A1最后亮。(2)断电自感现象演示。断开S，A1、A2、D1立即熄灭，D2闪亮一下。这一过程说明S断开时，L中电流减小，产生了感应电动势， D2中有感应电流流过，所以D2闪亮一下。A1和A2中也有较小的感应电流流过，只不过人们的肉眼不易察觉出A1和A2的瞬间闪亮。“A1和A2的瞬间闪
3、亮”是人们的肉眼不易察觉到，还是A1和A2根本没有闪亮？笔者认为这种用同一电路来演示通电和断电自感现象值得商议。自感现象是一种复杂的电磁感应现象，灯泡的电阻、线圈的自感系数和直流电阻等电路参数，都影响着电路中的自感电动势和电流的变化，不可能用同一电路器材来完美地演示通电和断电自感现象两个实验。二、 实验原理、通电自感现象演示通电自感现象的实验电路如图1所示。当电路接通的瞬间，因A2与R串联的电路是纯电阻电路，可以认为A2的发光与开关S合上是同步的。但A1与线圈L串联，线圈中的电流从无到有时，要产生自感电动势阻碍其电流的增强，使灯泡A1“滞后发光”。为了便于说明问题，我们用图4所示的电路来分析，
4、在开关接通后的任一时刻，由欧姆定律可得： 积分，处理后可得 （）自感电动势 图图 图6 由(1)式可知，由于线圈的自感作用，电路中的电流i是由0逐渐增大到稳定值，图5为用图象表示电流随时间的变化曲线，这就是通电自感实验中，灯泡A“滞后发光”的原因。在电磁学中，通常用来衡量自感电路中电流变化的快慢程度，称为回路的时间常数或驰豫时间。可以看出，L越大，R+R+r越小，时间常数就越大，这种“滞后发光”的效应就越显著。2、 断电自感现象断电自感现象的实验电路如图所示，当线圈中电流达以稳定时，其值为(为计算方便设r=O)， 将开关突然断开，这时电路中已经没有外电源，由自感电动势维持电路中的电流，线圈L与
5、灯泡A组成回路，由欧姆定律可得：积分，处理后可得：（）自感电动势（）灯泡上的的感应电压（）由()式可知，切断电源后，由于电感线圈的存在，电路中的电流是由逐渐减小的，图6为用图象表示电流随时间的变化曲线，这就是灯泡A会“延迟发光”的原因。 由于缺少了对比实验，时间上的“延迟发光” 用肉眼很难判断，演示的重点放在灯泡的“闪亮”上。从()式可看出，灯泡上的的感应电压最大值oo，只要足够大，灯泡的感应电压会超过原有电压，就会出现闪亮。如果从灯泡的电流考虑更为简便，当时，流过线圈L的原电流o大于灯泡的电流；当断电自感时，线圈中的电流o不能突变，此电流会流过小灯泡慢慢减小，有一小段时间内小灯泡的感应电流大
6、于了原电流，这时小灯泡就会闪亮。三、实验器材优化与实验拓展从上面的实验原理可以看出，在通电自感现象中，为了“滞后发光”的效应显著，尽量使自感系数L大，总电阻R+R+r小。但L越大,要求线圈匝数多，必然导致R大，所以可以考虑采用小阻值的小灯泡。综合各种因素，L可采用J2425型可拆变压器中红色的匝的线圈，并加上闭合铁芯增加自感系数，A1、A2采用2.5V、0.3A的小灯泡，这样的器材组合，在通电实验中可以明显观察到A1比A2“滞后发光”。在断电自感现象中，为了能观察到闪亮，必须使，这里要采用直流电阻较小的的线圈，所以选用的线圈导线要粗；另外，考虑到线圈储存的能量W=Lo2/2，与L成正比，所以L
7、值又不能太小。综合各种因素，可采用变压器中绿色的匝的线圈，它的直流电阻仅为5左右。采用的灯泡电阻要大些，可选用6.V、0.3A的小灯泡。这样的器材组合，在断电自感中可以明显地观察到小灯泡闪亮后再熄灭。另外从上面分析也可看出，按图电路演示断电自感现象时，经过两灯泡的感应电流没有比原电流大，所以A1和A2根本不会出现夏文所说的“闪亮”。总之，采用同一电路来演示通电和断电自感现象无法做到实验仪器的优化，大大影响了实验效果。为了使实验结果更直观，可以尝试应用DIS（数字化信息系统）技术来辅助演示实验。利用电流传感器、数据采集器采集小灯炮的电流信号，并运用计算机系统进行数据处理分析。如图7和图8分别为用
8、电流传感器采集到的通电和断电自感时通过小灯泡的电流信号。从显示的图象中可以直观地看出，在通电自感现中，小灯泡的电流慢慢增大。在断电自感中，小灯泡的电流先反向，然后再慢慢减小；另外，通过小灯泡的电流有一小段时间比原电流更大，所以小灯泡会闪亮一下。为了增进实验的趣味性，我们还可以让学生直接感受感应电压。图中用人体直接替代灯泡，由于选用的线圈直流电阻很小,原线圈中电流相对较大，断开开关，由于自感作用，此电流只能通过人体慢慢减小，这样在人体两端产生的高电压使人感受到电击感。如果让多人串接在电路中，也能产生同样的效果。如果改用整流器，加上伏电压，可以使全班同学体验到电击感。另外，如果没有任何旁路，当电键打开时，可以观察到明亮的电火图7 图8花。亨利就是这样发现自感现象的，现在被广泛应用于电子打火技术。这些有趣的、感性的实验给学生一种奇妙的感觉，引起他们强烈的好奇心，激发他们探索兴趣和求知欲，同时给学生留下深刻的印象。注1、齐国东 自感现象演示实验的改进 物理通报2001年第12期 2、夏彪 通断、电自感现象演示实验的改进教学仪器与实验2006年第4期 3、勒广珍 自感现象演示仪的改进 物理教学2006年第8期参考文献：赵凯华 陈熙谋 电磁学 北京 高等教育出版社 1985年
