黃曉標(biāo) 黃春如

(江西省教育廳教學(xué)教材研究室 江西 南昌 330046) (樟樹(shù)第三中學(xué) 江西 宜春 331200)

為使學(xué)生在知識(shí)的學(xué)習(xí)中更好地經(jīng)歷過(guò)程、體會(huì)方法，使之在物理概念的建立上盡可能地從親身體驗(yàn)中去理解和掌握知識(shí)，筆者從廢舊器件中尋找可用之材，針對(duì)互感和自感現(xiàn)象的特點(diǎn)，改進(jìn)和設(shè)計(jì)了如下的實(shí)驗(yàn)方案，目的是通過(guò)這些實(shí)驗(yàn)使學(xué)生在概念的建立、知識(shí)的學(xué)習(xí)中更好地做到水到渠成.

1 實(shí)驗(yàn)器材

廢舊彩電行輸出磁芯一副，廢舊大型游戲機(jī)顯示面版的LED 4個(gè)，自制線圈2個(gè)，電磁爐1臺(tái)，干電池2節(jié)，滑動(dòng)變阻器1只，電流表1只，開(kāi)關(guān)，導(dǎo)線等.

2 互感原理及實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

課本上互感的概念是通過(guò)法拉第線圈的實(shí)驗(yàn)結(jié)論建立的：在法拉第的實(shí)驗(yàn)中，兩個(gè)線圈之間并沒(méi)有導(dǎo)線相連，但當(dāng)一個(gè)線圈中的電流變化時(shí)，它所產(chǎn)生的變化的磁場(chǎng)會(huì)在另一個(gè)線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，這種現(xiàn)象叫做互感[1].之后推理得出：互感不僅僅發(fā)生于繞在同一鐵芯上的兩個(gè)線圈之間，而且可以發(fā)生于任何兩個(gè)相互靠近的電路之間.互感概念的前一部分可以說(shuō)是以法拉第電磁感應(yīng)的實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)得出的，但后一部分結(jié)論對(duì)學(xué)生而言只能是理論上的一個(gè)推導(dǎo)，并沒(méi)有對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)來(lái)構(gòu)建此概念.

2.1 法拉第線圈定義互感的改進(jìn)設(shè)計(jì)

把法拉第線圈中的鐵芯用廢舊行輸出磁芯替代，鐵芯上的兩組線圈用0.5 mm左右的漆包線在直徑比磁芯直徑稍大的PVC管上繞制成兩個(gè)獨(dú)立的線圈.與ab連接的線圈繞40匝左右，與cd連接的線圈繞60匝左右.實(shí)驗(yàn)電路如圖1.

圖1

實(shí)驗(yàn)步驟：調(diào)整可變電阻器的阻值，使開(kāi)關(guān)S閉合時(shí)，ab回路中的電流在0.3 A左右.通斷開(kāi)關(guān)S，電流表指針搖擺，與線圈cd連接的LED閃亮.閉合S不動(dòng)，電流表有示數(shù)，但LED不亮.此時(shí)用手提磁芯上半部分，鐵芯磁化的磁力作用可把下半部分提起.斷開(kāi)開(kāi)關(guān)S，鐵芯失磁，下半部分在重力作用下脫落.

結(jié)論：線圈cd與線圈ab并沒(méi)有導(dǎo)線相連，當(dāng)ab中的電流變化時(shí)，它所產(chǎn)生的變化的磁場(chǎng)會(huì)在cd線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，使連接cd線圈的LED閃亮.

圖1中的鐵芯和線圈也是一個(gè)變壓器模型.應(yīng)用上述模型能直觀清楚地使學(xué)生認(rèn)識(shí)到,利用互感現(xiàn)象可以把能量由一個(gè)線圈傳遞到另一個(gè)線圈.由圖1的變壓器模型和實(shí)物彩電行輸出，可使學(xué)生對(duì)課本提到的互感在電工技術(shù)和電子技術(shù)中的廣泛應(yīng)用有更具體的認(rèn)識(shí).

2.2 互感發(fā)生于任何兩個(gè)相互靠近電路之間的改進(jìn)設(shè)計(jì)

用長(zhǎng)約30 cm的細(xì)導(dǎo)線，兩端與”1.5 V,0.3 A”的小燈泡相連接，并使回路接近圓形置于電磁爐臺(tái)面上[2].

實(shí)驗(yàn)步驟：將電磁爐接入220 V交流電，接通開(kāi)關(guān)給其通電.用竹筷將圓形導(dǎo)線從電磁爐外緣逐步推至中心位置，可觀察到小燈泡從無(wú)光逐漸變亮；用竹筷夾住小燈泡，使燈泡線圈平面逐漸遠(yuǎn)離電磁爐臺(tái)面，小燈泡由亮逐漸變?yōu)闊o(wú)光.

結(jié)論：當(dāng)電磁爐線圈盤(pán)電路中通以變化的交變電流時(shí)，靠近它的小燈泡電路產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì).此時(shí)再推論給出互感發(fā)生于任何兩個(gè)相互靠近電路之間，可使學(xué)生抽象概念具體化，并對(duì)課本介紹的電力工程和電子電路中互感的相互影響有更深刻的認(rèn)識(shí).

通過(guò)上述探究活動(dòng)，可使學(xué)生更加全面、深刻地理解互感的定義及其在實(shí)際中的應(yīng)用.

3 自感原理及實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

當(dāng)一個(gè)線圈中的電流變化時(shí)，它產(chǎn)生的變化的磁場(chǎng)不僅在鄰近的電路中激發(fā)出感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，同樣也在它本身激發(fā)出感應(yīng)電動(dòng)勢(shì).這種現(xiàn)象稱(chēng)為自感.

3.1 自感實(shí)驗(yàn)改進(jìn)設(shè)計(jì)

如圖2,在ab線圈兩端并接反向連接的LED1和LED2.由圖可知,1與電源正向連接，2與電源反向連接.

圖2

實(shí)驗(yàn)步驟：閉合開(kāi)關(guān)S，調(diào)整滑動(dòng)變阻器的阻值，使電流在0.3 A左右且與ab連接的1,2兩個(gè)LED均不亮.1雖與電源正向連接，但與之并聯(lián)的線圈電阻很小，使其兩端的電壓降不足以點(diǎn)亮LED.之后反復(fù)通斷開(kāi)關(guān)S，使ab線圈中的電流通、斷變化(自感產(chǎn)生的條件)，可發(fā)現(xiàn)LED1，LED2交替閃亮.

原因分析：圖3為開(kāi)關(guān)S通斷變化時(shí)ab線圈中產(chǎn)生的自感電動(dòng)勢(shì)及其等效電路.由圖3可知：S接通瞬間，線圈中的電流增大，由法拉第電磁感應(yīng)定律及楞次定律可知，線圈中將產(chǎn)生下正上負(fù)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，阻礙電流的變化，正是由于這一變化，使得LED1兩端的電壓升高，因而從靜態(tài)時(shí)的不亮到接通瞬間的閃亮.同理，可分析出開(kāi)關(guān)S斷開(kāi)瞬間ab線圈中產(chǎn)生出上正下負(fù)的自感電動(dòng)勢(shì)，使靜態(tài)時(shí)不亮的LED2在斷開(kāi)瞬間閃亮.因而出現(xiàn)S通、斷變化時(shí)LED1,LED2交替閃亮的結(jié)果.

圖3 開(kāi)關(guān)通斷瞬間等效電路

以上實(shí)驗(yàn)器材易得，便于學(xué)生動(dòng)手操作，用于課堂教學(xué)或?qū)W生課外小組合作進(jìn)行探究性學(xué)習(xí)均可，通過(guò)實(shí)驗(yàn)很容易達(dá)到學(xué)習(xí)目標(biāo).與課本上介紹的實(shí)驗(yàn)方案和實(shí)驗(yàn)室中的演示實(shí)驗(yàn)結(jié)合使用，效果更好.

參考文獻(xiàn)

1 人民教育出版社物理室.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書(shū)·物理選修3-2(第2版) .北京:人民教育出版社,2006.1 ～25

2 熊小蘭，黃春如.一圈細(xì)導(dǎo)線點(diǎn)亮小燈泡.物理通報(bào)，2011(4)：90 ～91