組合化自感現象演示儀及其教學探討

楊樹梁 陳錦蕓 李德安 葉小鳳

(北京師范大學物理學系 北京 100875) (華南師范大學物理與電信工程學院 廣東 廣州 510006) (東莞東華初級中學 廣東 東莞 523128)

為了培養學生的物理學科核心素養，幫助學生從物理學科核心素養的視角認識自然，提出生活中的無軌電車在轉彎時為什么會產生電火花的問題.基于上面生活化的問題，利用教具進行演示實驗，創設出關于自感現象的情境，使得學生能夠從客觀情境中概括出問題的本質特征，完成從經驗性常識向物理概念的轉變.在人教版《物理·選修3-2》第四章第6節“自感與互感”教材中，《普通高中物理課程標準(2017年版)》對于自感現象的要求是：“通過實驗，了解自感現象.能舉例說明自感現象在生產生活中的應用[1].”據此，本教具使用開關產生電火花的演示模塊，讓學生經歷從自感現象的理論到實踐的過程，培養學生的科學態度與責任.

1 提出問題 演示實驗創設情境

如圖1所示，當一輛無軌電車在轉彎時會產生明顯的電火花，而在平直的路段行駛時一般不會產生電火花.

學生在看到這類現象時，首先會面臨的困惑是，為什么無軌電車在轉彎時會產生明顯的電火花？學生如何從這個情境中提煉出問題的本質？這種現象與法拉第電磁感應現象存在著什么關系？無軌電車的內部構造是怎樣的？是什么結構導致無軌電車產生電火花？

圖1 無軌電車

為了解決學生的問題，制作了一個無軌電車自感電火花的模擬裝置，具體結構如圖2所示.

圖2 無軌電車自感電火花模擬裝置

無軌電車自感電火花的模擬裝置將用于課堂開始時的情境導入，它可以在教學中創設自感現象的情境.展示無軌電車自感電火花時，首先將底板①放置在水平桌面上，然后將線圈⑥按圖2所示與電源⑤連接好，再將第一電夾⑦與第二電夾⑧分別夾在鐵絲③與鋸齒鐵皮②中，隨后利用驅動件?將小車從木板最左端拉動到最右端，最后可以看到鋸齒鐵皮與鐵釘接觸處不斷出現電火花的現象，營造出無軌電車在行駛過程中一路火花帶閃電的震撼情境.無軌電車電火花模擬裝置如圖3所示，可以讓學生帶著無軌電車為什么會產生電火花的問題，進入自感現象這一節課的學習，激發學生學習自感現象的興趣.

圖3 無軌電車教具實物

2 自感現象演示儀結構及通斷電自感演示

自制教具演示實驗可以發展學生的科學思維能力，讓學生經歷科學探究過程.教材中的通電自感與斷電自感分成兩個電路演示自感現象的主要原因是：線圈自感系數不夠大以及線圈的電阻過大.分成兩個電路演示可能會引導學生認為通電自感與斷電自感不能在同一個電路中發生，從而容易留下潛在的錯誤概念.另外將通電自感與斷電自感做成兩個演示儀，也會造成材料的浪費，不符合現代的環保理念.因此可以在基于傳統的基礎上，設計一個組合化的自感現象演示儀，使得學生能夠經歷自感現象的科學探究過程.如圖4所示，該裝置主要分為3大模塊，分別為：傳統燈泡、LED燈以及開關電火花.

圖4 自感現象演示儀結構

圖5為自感現象演示儀實物圖，對其功能模塊的說明分別如下.

圖5 自感現象演示儀實物

2.1 傳統燈泡演示儀

傳統燈泡演示模塊是通過將傳統燈泡板⑦裝入香蕉插頭中實現的.燈泡A1裝入電阻支路端，燈泡A2裝入電感支路端.傳統燈泡演示模塊通過設置特定的線圈參數，實現在同一個電路板中演示通電自感與斷電自感現象.

演示方法及效果：

(1)接通電源前，把電感支路滑動變阻器的電阻值調節至最小，電阻支路滑動變阻器的電阻值調節至最大，從而起到保護燈泡A1,A2的作用.

(2)接通電源，閉合開關并改變滑動變阻器R1,R2的阻值，直至燈泡A1,A2正常發光且兩個燈泡的亮度相同.斷開開關S，可以看到燈泡A1閃亮一下后熄滅.演示過程需要引導學生觀察兩個燈泡的亮暗變化，讓學生對斷電自感現象有更深刻的認識.

(3)閉合開關S，觀察到燈泡A2較慢變亮且延遲現象明顯.此即通電自感現象，同樣也需要在這個過程中，引導學生觀察燈泡的亮暗變化.

2.2 LED燈演示儀

LED燈演示模塊是通過將LED燈板⑧裝入香蕉插頭中實現的.其中LED燈板是利用數十個LED燈焊接在電路板中制作而成.在演示LED燈模塊過程中，發現LED燈的演示效果比傳統燈泡好，并且可以利用這個模塊探究出通電自感與斷電自感現象中自感電流的變化方向.

演示方法及效果：

(1)未接通電源時，把電感支路滑動變阻器的電阻值調節至最小，電阻支路滑動變阻器的電阻值調節至最大，從而起到保護LED燈板的作用.

(2)接通電源，閉合開關并改變滑動變阻器R1和R2的阻值，直至LED燈板中的兩個白色LED燈正常發光且亮度相同.斷開開關S，將看到電阻支路中的紅色LED燈閃亮一下后熄滅.通過LED燈中自感電流單向通過的特性，可以得出電路中的自感電流方向為逆時針.

(3)閉合開關S，觀察到電感支路的白色LED燈較慢變亮，LED燈延遲現象比傳統燈泡更為明顯.根據電路中LED燈的發光情況，得出電路中自感電流的方向為順時針.

2.3 開關電火花演示儀

開關電火花演示模塊是通過將電感支路中滑動變阻器⑤的電阻調節為零，以及香蕉插頭③沒有接入任何器件實現的.開關電火花演示模塊推薦在課堂總結時使用，能引導學生再次回顧自感現象的本質.自感現象的產生是由于線圈中的電流變化時，它產生的變化的磁場不僅在鄰近的電路中激發出感應電動勢，同樣也在它本身激發出感應電動勢[2].總結時使用開關電火花模塊，能讓學生將所學的自感現象運用到生產生活中，解決生活中的實際問題.

演示方法及效果：

(1)接通電源，閉合開關，待電源穩定后，快速斷開開關，可以看到開關產生明顯的電火花.現象如圖6所示.

圖6 開關電火花

(2)斷開開關，將導線板⑨插入線圈⑥的香蕉插頭中，使得線圈局部短路.此時再斷開開關，沒有觀察到開關有電火花產生.對比兩次實驗，得出開關電火花是由于線圈的自感產生的.

3 理論及參數分析

3.1 自感現象理論

由式(1)可知，當電路中存在強電流和自感系數很大的線圈時，開關斷開的瞬間會產生極大的自感電動勢.產生的高電壓會擊穿空氣，從而可以看到開關產生電火花

(1)

根據RL串聯電路的零輸入響應與零狀態響應，在斷開開關瞬間，斷電自感中線圈兩端的電壓表達式為

(2)

圖7 RL串聯電路的零輸入響應

在閉合開關瞬間，通電自感中線圈兩端的電壓表達式為

(3)

圖8 RL串聯電路的零狀態響應

式(2)、(3)中的τ稱為時間常數，理論上，僅當t=∞時，電路才能達到穩態，但在實際的實驗過程中，僅需要經過3τ～5τ的時間后，電路的暫態過程便基本結束，即uL≈0.

根據式(3)，在閉合開關瞬間，演示儀中的通電自感時間常數τ主要取決于線圈的自感系數以及電路的總電阻.

3.2 器件參數分析

人眼的時間分辨率為0.3 s，如果人要觀察到通電自感過程中燈泡延遲發光的現象，則時間常數τ不能小于0.06 s.如圖5所示，在通電自感過程中，為了能在實驗時觀察到明顯的延遲現象，本教具設計了特殊的低頻扼流線圈，使其自感系數L達到6.3 H，而線圈的內阻僅有10.8 Ω.并選用電阻約為1.8 Ω的燈泡，經過計算得

則此時τ大于0.06 s，因此可以觀察到非常明顯的燈泡延遲發光現象.在斷開開關瞬間，要使燈泡A1實現閃亮一下再熄滅的現象，電感支路總電流需為電阻支路總電流的3倍，即電阻支路總電阻為電感支路總電阻的3倍.根據線圈的自感系數L=6.3 H，內阻r=10.8 Ω，燈泡電阻為1.8 Ω，則電感支路的總電阻約為12 Ω.當選擇兩個滑動變阻器的量程為0～50 Ω時，電阻支路總電阻可以很容易達到電感支路總電阻的3倍.

4 創新與改進

(1)無軌電車自感電火花模擬裝置是基于生產生活創新設計出來的，目前我們團隊已經成功申請專利.

(2)教具中的第二個裝置實現3個模塊一體化.其中傳統燈泡模塊可以在同一電路中展示通電自感與斷電自感，LED燈模塊則可以更深一步展示自感現象中自感電流的變化方向以及讓自感現象更震撼，而開關電火花模塊可以再次展示生產生活中自感現象的危害.

(3)組合化的自感現象教具可以滿足自感現象教學過程中的創設情境、科學探究以及知識應用這3個環節的課堂教學，能有效地培養學生的物理觀念與科學思維.

(4)通過理論計算，對線圈和滑動變阻器的參數進行深入分析，實現了演示物理現象的明顯程度最大化.

5 結束語

通過無軌電車自感電火花的模擬裝置，創設自感現象的物理情境.教師能從生產生活的角度培養學生的物理觀念，引發學生的深度思考.對比分析傳統燈泡演示儀與LED燈演示儀的實驗，能使學生經歷通電自感與斷電自感的科學探究過程，培養學生的科學思維.而演示開關電火花模塊，能讓學生經歷從理論到實踐的過程，完成知識的再次升華.