《自感》教學設計的改進

陳緒文

【摘要】本文分析研究了《自感》教學設計的改進。

【關鍵詞】《自感》 教學設計 改進

【中圖分類號】G633.7 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2019）33-0188-02

一、教材中的問題

1.自感通電演示實驗

實驗現象：燈A1總比燈A2滯后一段時間才亮。

實驗說明：

2.自感斷電演示實驗

實驗現象：燈A閃亮一下，在緩慢熄滅。

實驗說明：當電路斷開時，通過線圈的電流要減少，由法拉第電磁感應定律和楞次定律可知，線圈中要產生一個感應電動勢，且感應電動勢的方向與減少的電流方向相同。由于電源支路已處于斷開狀態，所以這個逐漸減小的強電流要反向通過燈A，故燈泡要閃亮一下。

3.問題

①教材中的實驗不能定量顯示電流的大小，僅僅通過燈泡的明暗來判斷電流的大小，理論上可行。但暫態時間太短，效果不明顯。

②本實驗致命傷在于電流的方向不明確。通過楞次定律的學習，來解釋演示實驗，更像是驗證性實驗，失去了探究的意義。

③本實驗的操作需要教師把電源、電阻、線圈自感系數、燈泡功率配比好。特別是斷電實驗容易把燈泡損壞或者現象不明顯。

二、傳統實驗

1.通電演示

電路電源接入10V直流電，燈泡更改成發光二極管。二極管具有單向導電性，可以讓學生了解電流的方向。在接通瞬間，與線圈相聯的二極管會慢慢亮起來。對比與變阻器相聯的二極管，現象明顯。

2.斷電演示

電路在4V直流狀態下接通，二極管由于單向導電性，不亮（不接通）。當斷開瞬間，由于自感，二極管會閃一下，再慢慢熄滅。

3.問題

①傳統實驗器材對教材實驗進行了改進，燈泡換成發光二極管。使得對電流方向的探究更加明確了。但是，通過小燈泡的亮暗變化來描述電流瞬時變化，暫態時間太短，達不到預期的實驗目的。即使燈泡顯示漸變現象，也只是粗略地表征電路中電流的變化情況。

②特別是在斷開演示時，學生會產生兩個誤區：

a.學生對二極管閃亮印象深刻，會認為線圈中自感電動勢產生與原來電流的方向相同的電流。因此，電路中實際電流是二者之和，電流會變大。

b.自感電動勢不會超過原電路的電動勢。

三、運用DIS實驗進行探究

1.DIS實驗優勢

①傳感器、數據采集器、實驗軟件包、計算機構成新型實驗系統。

②成功克服傳統物理儀器的諸多弊端。有力的支持了信息技術和物理教學的全面整合。

③自感實驗現象的暫態特征突出，對觀察和分析手段的要求很高。

2.自感實驗設計的改進

①按照實驗裝置圖連接電路（上圖），將毫安電流傳感器和電壓傳感器接入數據采集器，然后將采集器與計算機連接。

②打開實驗軟件，分別對毫安電流傳感器和電壓傳感器進行短接校準。

③實驗時間選擇10s，采集時間間隔1.25ms。通過K1閉合、斷開，采集數據。

④實驗結果

K1閉合時，電感中的電流逐漸增大到最大值，電阻兩端的電壓立即增大到最大值。K1斷開時，電感中的電流減小到0，電阻兩端的電壓瞬間達到反向最大值，然后逐漸減小到0。

⑤自感的數據分析研究

a.由法拉第電磁感應定律可知：E∞

b.實驗表明，磁場的強弱正比于電流的強弱。也就是說：E∞L

c.Ι-t圖像可以看出，在整個變化過程中，電流的方向沒有變化。但是，ΔΙ/Δt（電流的變化率）在閉合和斷開瞬間都是減小的，最終為0。學生可以通過Ι-t圖像的斜率k得到。可見，E自在減小，最終也為0，不再“阻礙”。在U-t圖像中，學生可以發現，在開關斷開瞬間，Uab<0。（討論：電流的方向沒有發生變化，而Uab由正→負的原因）

d.I自≤I原，而學生認為燈泡閃一下，自感電流增大了，這是錯誤的認識。通過Ι-t圖像可以看出。在有些電路中，流過燈泡的電流的確增大了，但不一定是I自增大。以右圖為例，S閉合，如果IA≤IL（RA≥RL），當斷開S，那么燈泡A就會閃亮一下再緩慢熄滅。反之，則緩慢熄滅。

e.E自≤E原？首先U-t圖像中，U不是E自，是ab端的電壓。U的大小不表征自感電動勢的大小。根據閉合電路歐姆定律E自=I自R，當R足夠大，E自可以大于E原。其次，根據E=L得，當自感系數L足夠大，自感電動勢可以很大。日光燈的工作原理就是如此。