用一个电路演示通、断电自感现象值得商榷

《用一个电路演示通、断电自感现象值得商榷》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

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　３１５４００）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１和图２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》２００６年第４期夏老师的电路设计为例进行分析。图１　　　　　　　图２　

2、　　　　　　　图３一、问题的提出夏老师采用图３所示的电路进行实验。采用器材：A1、A2为规格相同的小灯泡(6．2V0．5A)；L为J2423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

3、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１、通电自感现象演示通电自感现象的实验电路

4、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，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（１）自感电动势图４　　　　　　　　　　图５　　　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A１“滞后发光”的原因。在电磁学中，通

5、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+RＬ+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２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Ｓ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与灯泡A组成回路，由欧姆定律可得：积分，处理后可得：（２）自感电动势（３）灯泡Ａ上的的感应电压（４）由(２)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

6、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(４)式可看出，灯泡Ａ上的的感应电压最大值Ｕo＝ＩoＲ，只要Ｒ足够大，灯泡Ａ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Ｒ>ＲＬ时，流过线圈L的原电流Ｉo大于灯泡Ａ的电流；当断电自感时，线圈中的电流Ｉo不能突变，此电流会流过小灯泡Ａ慢慢减小，有一小段时间内小灯泡的感应电流大于了原电流，这时小灯泡Ａ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

7、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+RＬ+r小。但L越大,要求线圈匝数多，必然导致RＬ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１６００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Ｒ＞ＲＬ，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=LＩo2/2，与L成正比，所以L值又不能太小

8、。综合各种因素，可采用变压器中绿色的４００匝的线圈，它的直流电阻仅为5Ω左右。采用的灯泡电阻要大些，可选用6.２V、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３电路演