自制多功能電路板
——基于自感現象基礎上的改進實驗

孫 莉 顧 蕓 鄒雅琴

(揚州市第一中學，江蘇 揚州 225000)

·物理實驗·

自制多功能電路板
——基于自感現象基礎上的改進實驗

孫 莉 顧 蕓 鄒雅琴

(揚州市第一中學，江蘇 揚州 225000)

演示自感現象實驗時,廠家生產的演示器材有兩組回路,分別演示通電自感和斷電自感現象,而且利用傳感器直觀觀察電流變化不方便,留下一組線圈并結合高中電路實驗板改制成多功能實驗板,可以實現多個實驗的演示．

自感現象； 感抗； 容抗

1 原有實驗器材使用的改進

(1) 通電自感改進.

演示通電自感現象裝置電路如圖1(a)所示,通過對比兩個完全相同的燈泡在接通直流4V電源后變亮的時間不同,得出線圈在開關接通瞬間自感現象產生的電動勢與電源所加電壓反向,阻礙電流增大,導致燈泡A2發光延時．為了形象地感知燈泡A2中電流的變化,在A處將導線斷開,串聯接入電流傳感器,再次接通開關,得到圖像如圖1(b),曲線變化的電流表明線圈的延時阻礙作用．

圖1

(2) 斷電自感改進.

利用圖1電路斷開電源時,燈泡A1并沒有什么特別變化,因此使用如圖2(a)所示電路,所用電源為1節干電池,由于線圈電流較大,斷開電源瞬間,燈泡由原來較暗狀態忽然閃亮一下后熄滅,為了證明燈泡中閃亮時的電流是由線圈提供的,在B處斷開,串接上電流傳感器,得到圖像如圖2(b),第一個峰值是接通電路時形成的,斷電時電流反向但峰值卻比原來小,按道理不能出現燈泡閃亮的現象,分析原因可能是由于傳感器中有其他電器元件阻礙了電流．在B處接上1個二極管,接通開關后燈泡不亮,斷開開關瞬間閃亮;若原來燈泡處于接通點亮狀態,則斷開時不能觀察燈泡閃亮現象．后來筆者又使用了示波器,將燈泡兩端的電壓輸入,斷開開關瞬間電壓變化如圖2(c)所示,反向電壓遠高于原來電壓,所以能解釋所觀察到的明顯閃亮現象．

圖2

2 自制實驗板的來由

使用上述實驗器材過程中,用兩組線圈分別觀察,總讓人覺得一組線圈只有通電自感作用,而另一組只有斷電自感作用,并且當連接其他器材時,需要將線路斷開,非常麻煩．偶然有次在實驗室中看到一種實驗板,上面布滿插孔,學生可以利用導線自由連接電路,于是就產生了自己組裝的想法．

3 改進過程及電路板的使用

嘗試了多個線圈后,通電自感現象均不明顯,所以就使用了原裝置中的第一組線圈,將實驗板裁成兩個長條安裝在木板上,將電源插孔和開關,電線連接固定,如圖3所示．

圖3

圖4

(1) 通電自感現象仍使用原來兩個相同小燈泡演示,觀察電流變化時只要將燈A2與線圈相連的導線拔下,兩端串接上電流傳感器的接頭即可．

(2) 斷電自感時,將燈泡A1換成“220 V 3 W”的節能燈泡,這種燈泡內本身就有線圈,所以斷電能夠看到明顯的閃亮現象,并且不用擔心會損壞．對比原來的燈泡A1,得出斷電時并不是一定會產生“閃亮一下”的現象．

(3) 在演示電容器、電感對直流、交流電路的阻礙時,使用該裝置．電容與小燈泡串聯,接入直流電壓6V,接通電路,可以看到與線圈串聯的燈泡發光,而與電容器串聯的燈泡不發光如圖5所示;換成交流電源6V時,則可以看到與線圈串聯的燈泡不發光,而與電容器串聯的燈泡發光如圖6所示．從而可以得出電容器“隔直通交”、電感器“通直流、阻交流”的特點．

圖5

(4) 進一步研究電容器的容抗與哪些因素有關.可以控制電源一定，換用不同電容與燈泡串聯,觀察燈泡的亮度變化,得出容抗與電容的關系;還可以使用同一電容,接通可變頻的信號發生器,觀察燈泡的亮度變化,得出容抗與頻率的關系,加深對容抗公式的理解．

(5) 同理研究感抗與哪些因素有關時,也用控制變量的方法得出感抗與頻率、電感的定性關系．

4 實驗中的偶然發現

在觀察電容器對直流電的作用時,如果使用學生電源的直流電壓電源,適當調高電壓,仍可以觀察到燈泡發光．原因是學生電源中的直流電源通過濾波產生,輸出的電源并不是穩恒電壓,雖然方向不變,大小仍在變化,電容實際上在不停地充電放電,造成小燈泡上存在交變電流,當電壓達到一定數值,燈泡上的電流達到一定極限,就可以觀察到燈泡發光了．

本文系江蘇省中小學教學研究第十一期課題“基于問題的中學物理‘對話·體悟式教學研究與實踐’”(編號：2015JK11-L177)的階段性研究成果.

2016-08-01)