高中物理選修演示自感現(xiàn)象的一種新方法

演示自感現(xiàn)象的一種新方法用通常的方法演示自感現(xiàn)象，由于選材上的限制，增大了準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)的困難，難以取得理想的效果。為此，我們在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中利用惠斯通電橋來顯示自感現(xiàn)象，取材方便，效果明顯。一、傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的缺點(diǎn)1.選材困難。為了取得明顯的演示效果，實(shí)驗(yàn)中對線圈的自感和電阻，燈泡的選擇均有較嚴(yán)的要求。2.需用兩套器材分別演示通、斷電自感，過多地耗費(fèi)了課堂時間。3.電路中有自感(通、斷電瞬間)和無自感(穩(wěn)定狀態(tài))時，燈泡均發(fā)光，效果不明顯。學(xué)生只能從微小的發(fā)光強(qiáng)度差和時間差來判斷自感現(xiàn)象的存在。二、實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)我們改進(jìn)這一實(shí)驗(yàn)的基本思路是讓顯示自感現(xiàn)象的燈泡只在有自感電動勢產(chǎn)生時才發(fā)光，電路進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)時，燈泡不發(fā)光。實(shí)驗(yàn)電路利用惠斯通電橋(圖1)，并用電流表(100μA檔)顯示自感現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)的操作如下。1.調(diào)節(jié)電橋平衡調(diào)節(jié)可變電阻R1使電橋平衡(電流表中無電流通過)。2.通電自感電橋調(diào)節(jié)平衡后，合上開關(guān)K，在開關(guān)K閉合的瞬間，電流表指針擺動一下；當(dāng)電路進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)時，電流表指針又復(fù)零。這表明是通電的瞬間，線圈產(chǎn)生的自感電動勢使電流表中有電流通過，可以判斷這一電流是由B點(diǎn)經(jīng)電流表流向A點(diǎn)。3.斷電自感K閉合后電路進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)時，電流表中無電流通過；當(dāng)電鍵K斷開的瞬間，又可見電流表指針擺動一下。這表明是線圈斷電時產(chǎn)生的自感電流流過了電流表。這一電流是由A點(diǎn)經(jīng)電流表流向B點(diǎn)。由上面的分析可見，只有線圈中產(chǎn)生自感電動勢時，電流表中才有電流通過；電路處于穩(wěn)定狀態(tài)時，電流表中無電流通過。因此，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象很明顯。二、實(shí)驗(yàn)原理的講解由于現(xiàn)行高中教材和師范教材中均未講電橋原理，利用電橋演示自感現(xiàn)象，搞不好會使原理的講解復(fù)雜化。我們的作法是利用電橋的特例分析實(shí)驗(yàn)原理，講解中不提“電橋”這一概念。在圖1中，若取R1＝R2＝R3=線圈電阻，由于圖中A、B兩點(diǎn)為對稱點(diǎn)，則電流表中無電流通過(即電橋平衡)。若規(guī)定電源負(fù)極電勢為零，則電鍵K合上的瞬間，由于線圈中有自感電動勢，使得通過線圈及電阻R3的電流很小，因此，A點(diǎn)電勢接近于零；而通過R1、R2的電流很快達(dá)到正常值，因此，幾乎在電鍵K閉合的同時，B點(diǎn)的電勢就達(dá)到了正常值(為電源電動勢的一半)。由分析可見，由于自感電動勢的存在，在通電的瞬間，B點(diǎn)電位高于A點(diǎn)電位，電流表中有電流通過(通電自感)。電鍵K斷開的瞬間，線圈中的電流突然減小而在其中產(chǎn)生一個阻礙電流減小的感應(yīng)電動勢。正是這一感應(yīng)電動勢，使電流表中在電鍵K斷開后，有一瞬間的感應(yīng)電流通過(斷電自感)。四、實(shí)驗(yàn)器材的選取與電路制作1.線圈L一般變壓器模型的線圈均符合要求(為制作電路方便我們使用的是40W日光燈的鎮(zhèn)流器，其R≈30Ω，L≈1H)。2.電阻R1、R2、R3要與線圈電阻相近。為延長使用壽命，我們是用500W電爐絲制作的?？烧{(diào)電阻R1用一小鐵夾作滑動觸頭。3.電流表我們使用的是J0401型演示電表G檔(200μA)。4.電源用一節(jié)干電池即可觀察到實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，實(shí)驗(yàn)中可通過調(diào)整電源電壓使電流表偏轉(zhuǎn)達(dá)最大。我們使用的是學(xué)生電源4～6V的直流輸出(不能用交流電)。另外，若用兩只發(fā)光二極管反向并聯(lián)(圖2)代替電流表，在電路通斷電時，兩發(fā)光二極管交替發(fā)光。這使演示更方便、更有趣。(注意：用發(fā)光二極管顯示時，電源只能用于