利用電壓傳感器演示線圈的斷電自感現(xiàn)象

陳軍剛

實驗背景：

自感現(xiàn)象是人教版高中物理課本選修3-2第四章電磁感應中的內(nèi)容。在2018年高考考綱中為Ⅰ級標準，要求學生知道自感現(xiàn)象和自感電動勢的概念。在選修3-2教材中用圖1所示電路演示自感現(xiàn)象，通過觀察開關閉合與斷開的瞬間小燈泡亮度的變化來間接演示自感現(xiàn)象，學生不能直接觀察自感電動勢的變化情況，這就造成學生對自感現(xiàn)象的認識不夠深入，對自感電動勢概念的理解比較困難。

如果在試驗中學生能直接觀察線圈中自感電動勢的變化情況，那么學生就能清晰直觀地認識自感現(xiàn)象，幫助學生理解自感電動勢的概念。也能進一步加深學生對電磁感應現(xiàn)象的認識和對楞次定律的理解。

所以我設計了利用電壓傳感器演示線圈的斷電自感現(xiàn)象的實驗，本實驗可以用電壓傳感器直接觀測開關斷開時線圈中產(chǎn)生的自感電動勢的大小、方向和變化情況，讓學生對自感現(xiàn)象和自感電動勢的變化情況有一個直觀和感性的認識，幫助學生理解自感電動勢的概念，加深學生對電磁感應現(xiàn)象的認識和對楞次定律的理解。

實驗目的：

1.學會使用電流傳感器和電壓傳感器進行試驗，并能利用計算機技術對試驗數(shù)據(jù)進行處理和分析；

2.利用電壓傳感器和電流傳感器觀測線圈的斷電自感現(xiàn)象和自感電動勢的變化情況。

實驗原理：

自感現(xiàn)象是當一個線圈中的電流發(fā)生變化時，線圈本身激發(fā)出感應電動勢的現(xiàn)象。如圖1所示，當開關S斷開的瞬間，線圈中的電流突然減小，電源加到線圈兩端的電壓消失，由于自感現(xiàn)象，此時線圈中就會產(chǎn)生自感電動勢，而利用電壓傳感器就可測量并記錄自感電動勢的大小。

實驗器材：

干電池8節(jié)（1.5V）、單刀單擲開關1個、單刀雙擲開關1個、發(fā)光二極管1支、有閉合鐵芯線圈1個（匝數(shù)1400匝，內(nèi)阻約為60Ω）、滑動變阻器1個（100Ω，0.5A）、導線若干；

電壓傳感器（江蘇艾迪生公司，型號VS400）、電流傳感器（江蘇艾迪生公司，型號CS400）、高頻數(shù)據(jù)采集器（江蘇艾迪生公司，型號LobPro500）、Edis數(shù)字化探究實驗室系統(tǒng)軟件。

實驗步驟：

1.如圖1所示實驗電路圖，連接實驗儀器，完成實驗電路，并檢查確認電路連接無誤；

2.打開Edis數(shù)字化探究實驗室系統(tǒng)軟件，調(diào)試電壓傳感器和電流傳感器，確認傳感器和軟件工作正常；

3.開始實驗，先將單刀雙擲開關P與觸頭1閉合，此時電壓傳感器測量線圈兩端的電壓，然后點擊Edis數(shù)字化探究實驗室系統(tǒng)“開始”按鈕，同時多次閉合、斷開開關S，Edis數(shù)字化探究實驗室系統(tǒng)將自動記錄實驗數(shù)據(jù)；

4.將單刀雙擲開關P與觸頭2閉合，此時電壓傳感器測量與線圈內(nèi)阻相等的電阻兩端的電壓，然后點擊Edis數(shù)字化探究實驗室系統(tǒng)“開始”按鈕，同時多次閉合、斷開開關S，Edis數(shù)字化探究實驗室系統(tǒng)將自動記錄實驗數(shù)據(jù)；用于對比實驗。

5.實驗結束，拆除實驗裝置，進行數(shù)據(jù)分析。

實驗結果與分析：

如圖3所示為電壓傳感器記錄的電感線圈兩端電壓隨時間變化的圖像，圖4為與線圈內(nèi)阻相等的電阻兩端的電壓隨時間變化的圖像。

如圖2可知，每次當開關S斷開的瞬間，線圈兩端的電壓突然消失的同時產(chǎn)生一個較大的反向電壓。而在圖3電阻兩端的電壓隨著開關S的斷開而變?yōu)?，并沒有產(chǎn)生反向電壓。對比開關S斷開瞬間線圈和電阻兩端電壓的變化情況可知，在開關S斷開的瞬間線圈中產(chǎn)生了感應電動勢，感應電動勢的方向與電源加在線圈兩端電壓的方向相反。

編輯 劉瑞彬