運用PASCO傳感器研究自感現象的實驗設計

周 瑩 劉茂軍

(吉林師范大學物理學院，吉林 四平 136000)

1 實驗改進思路

自感現象是高中物理“電磁感應”一章的重要內容.人教版教材通過對通電、斷電瞬間燈泡發光的變化演示自感現象，但無法直觀顯示自感電流方向的變化.該教材在“做一做”環節用電流傳感器演示自感對電路中電流的影響，[1]但也僅僅演示了通電時的自感現象.有的實驗運用DISLab數字化傳感器進行研究，[2-3]但沒有對相關數據做精確的定量研究.

本實驗嘗試運用PASCO數字化傳感器對該實驗進行重新設計，與人教版教材中的實驗相比，新設計的實驗有以下改進：

(1) 數字化傳感器完整記錄通電、斷電瞬間的電流變化圖像，有助于學生理解自感現象的特點和本質.

(2) 數字化傳感器可以定量記錄自感現象作用的時間，可以對自感系數不同的情況進行定量比較研究.

(3) 設計了并聯電路的自感現象，不僅可以演示出通電自感現象，而且可以演示斷電自感電流方向.

2 實驗基本過程與實驗數據

本實驗用電阻箱代替傳統實驗中的小燈泡，可以解決因燈泡阻值變化而導致實驗數據精確度下降的問題.電源電動勢選用4 V的直流穩壓電源，線圈匝數n選用1400匝，阻值RL=50 Ω.

實驗1：通電時自感現象演示.

(1)連接電路.

如圖1所示，將電阻箱的阻值調至50 Ω，與自感線圈等阻值串聯，閉合開關，觀察電流的變化情況；將自感線圈拆掉，電阻箱的阻值調至100 Ω，再次測量，比較兩次測得的I-t圖像.

圖1 串聯電路自感現象演示實物圖

(2) 實驗圖像示例(圖2).

(3) 實驗數據分析.

設定沒有自感線圈電路中的電流為I1，電阻箱與自感線圈串聯的電流為I2.在I-t圖像中按一定時間間隔選取數據點，記錄兩次實驗條件下電流隨時間變化的關系，如表1所示.

表1 不同實驗條件下的電流與時間關系

從表1中可以看出，電路中沒有線圈時，電流幾乎瞬時達到最大值；而當電路中有線圈時，電流需要大約0.036 s達到電流最大值.由此說明：開關閉合時，通過電阻箱的電流I1幾乎瞬間從0增加到最大值0.041 A，而串聯線圈的電路由于受到自感線圈產生的阻礙作用，使電流I2增加得相對緩慢，最終穩定在0.041 A.

實驗2：并聯電路自感現象演示.

(1) 連接電路.

如圖3所示，將電阻箱調至50 Ω(為了讓兩個電流傳感器電流大小一致)，與自感線圈并聯，兩個電流傳感器分別連入兩條支路中.將開關先閉合后斷開，觀察兩條支路上的I-t圖像.

圖3 并聯自感現象實驗電路圖

(2) 實驗圖像示例(圖4、圖5).

圖4 并聯電路通電自感I-t圖像

圖5 并聯電路斷電自感I-t圖像

(3) 實驗數據分析.

設定電阻箱所在支路的電流為I1，自感線圈所在支路的電流為I2.記錄兩次實驗條件下電流隨時間變化的關系，如表1所示.在I-t圖像中按一定時間間隔選取數據點，分別記錄通電與斷電瞬間各支路電流隨時間變化的關系，如表2所示.

表2 通電和斷電瞬間電流與時間變化

從表2中可以看出，在通電瞬間，沒有線圈的支路電流I1幾乎瞬間達到最大值，有線圈的支路電流I2需要大約0.036 s才能達到電流最大值，說明當電流增加時，自感線圈對電路中的電流產生阻礙作用，證明自感現象的存在.

在斷電瞬間，兩條支路組成一個閉合回路，電流并沒有瞬間減小到0，而是電流數值逐漸減小，斷開瞬間到電流為0的時間間隔為0.022 s.同時，電阻支路的電流I2由穩定值0.079 A瞬間反向變為-0.047 A，后逐漸減小到0，線圈支路電流則由最大值經過一定時間降為0，說明自感線圈產生了一個與原電流方向相同的電流，從而起到“阻礙”電流變化的作用.

3 結論

通過以上兩組實驗，清晰地演示了通電與斷電瞬間電流I與時間Δt的關系，驗證了自感現象對電路中電流的影響.當電路中的電流變化時，自感線圈所產生的感應電流總是阻礙原電流的變化.