羅麗君　李自強(qiáng)

摘要：為了彌補(bǔ)教材“自感”中沒有演示實(shí)驗(yàn)的不足，我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)儀器。在制作過程中，我們不斷修改完善方案，而制成品的功能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越了當(dāng)初的目標(biāo)，可以演示電磁學(xué)相關(guān)的12個(gè)以上的物理現(xiàn)象或者規(guī)律。

關(guān)鍵詞：多功能? 電磁學(xué)? 實(shí)驗(yàn)儀器

一、發(fā)現(xiàn)問題

高中物理教材選修3-2（教科版）中“自感”，幾個(gè)知識(shí)點(diǎn)沒有演示實(shí)驗(yàn)，而是直接給出結(jié)論：線圈匝數(shù)越多，它的自感系數(shù)越大，有鐵芯時(shí)線圈自感系數(shù)，比沒有鐵芯時(shí)要大得多。只提出：“活動(dòng)——如果我們要把很長的電阻絲繞在一個(gè)圓筒上，又不希望在電流變化時(shí)產(chǎn)生自感電動(dòng)勢，應(yīng)該怎么辦？”通過搜索中國知網(wǎng)，我們沒有找到相應(yīng)的文獻(xiàn)和產(chǎn)品儀器、專利資料。我們創(chuàng)新性發(fā)明了一個(gè)演示設(shè)備，不但能彌補(bǔ)教材的不足，還利用該儀器發(fā)現(xiàn)了兩個(gè)教材上沒有的物理知識(shí)。

二、我們的猜想

（一）如何獲得變化的電流。我們可否用交流電源來獲得持續(xù)的變化電流呢？

（二）線圈自感現(xiàn)象、強(qiáng)弱如何體現(xiàn)出來。采用對(duì)比的科學(xué)探究方法：讓電壓相等的直流電和交流電都通過線圈，如果線圈對(duì)交流電有阻礙作用，那么用交流電的電流必定小于用直流電的電流；自感越強(qiáng)，電流相差越明大。

（三）線圈直流電阻和自感都要對(duì)電流產(chǎn)生阻礙作用，我們用控制變量法，探究在直流電阻相等的情況下可能出現(xiàn)的情況。

我們做線圈時(shí)，匝數(shù)多的線圈，用線徑粗的漆包線繞制，就可以保證不同匝數(shù)的線圈直流電阻相等。

三、修改完善方案

我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室找材料時(shí)，發(fā)現(xiàn)了教學(xué)用可撤變壓器，順勢聯(lián)想：1.可撤變壓器不但有鐵芯，而且鐵芯可以開放或者閉合；2.用可撤變壓器還可以演示變壓器相關(guān)知識(shí)。于是，當(dāng)初的課題是演示三個(gè)實(shí)驗(yàn)，可以擴(kuò)展到12個(gè)。

我們保留了變壓器的骨架，重新繞制線圈。圖1中，AB是Φ=0.35、100匝線圈，AC是400匝、Φ=0.70的線圈，實(shí)測AB間和BC間的電阻都在3歐左右。EF是Φ=0.35，雙向并繞、總匝數(shù)100匝線圈，直流電阻大約3歐。繞制PQ間的線圈時(shí)，考慮到小燈泡的額定電壓為2.5伏，用導(dǎo)線繞制成匝數(shù)是80匝的線圈，線徑Φ=0.70。

成品如圖2所示。

四、方案的實(shí)施及數(shù)據(jù)分析

1.把線圈從可撤變壓器上取下來，電源選擇“交流4V/直流3V”，再做以下實(shí)驗(yàn)。

2.把圖1中的BC接在交流接線柱上，用一把大頭針靠近線圈，會(huì)發(fā)現(xiàn)針被吸引。

結(jié)論：交流電也可以產(chǎn)生磁場。

3.把BC接在直流接線柱，讀出直流電流表電流，實(shí)測大約1A。

結(jié)論：3V除以3歐等于1A，符合歐姆定律，說明線圈對(duì)恒定電流只有電阻、沒有自感。

4.把BC接在“交流”接線柱上，讀出交流電流表讀數(shù)大約也是1A。

結(jié)論：對(duì)比步驟2、3，同樣的線圈，交流電壓4V比直流電壓3V高大約30%，但電流基本相等，說明線圈對(duì)交流電產(chǎn)生了額外的阻礙作用，這個(gè)現(xiàn)象叫自感。

5.把圖1中的AB接在“交流”接線柱上，讀出交流電流表讀數(shù)，大約1.4A。

結(jié)論：對(duì)比步驟3、4，證明線圈的匝數(shù)越多、自感系數(shù)越大。

6.保持步驟4的電路不變動(dòng)，把圖1中的AB線圈插入可撤變壓器的固定鐵芯，發(fā)現(xiàn)電流大約1.2A，比沒有鐵芯有所減少。

結(jié)論：對(duì)比步驟4、5，證明了“有鐵芯時(shí)線圈自感系數(shù)比沒有鐵芯時(shí)要大”。但不能證明教材的“有鐵芯時(shí)線圈自感系數(shù)比沒有鐵芯時(shí)要大得多”。

7.把圖1中的BC接在“交流”接線柱上，讀出交流電流表讀數(shù)大約1A，把線圈插入可撤變壓器的固定鐵芯，發(fā)現(xiàn)電流幾乎立即從大約1A變成接近于零。

結(jié)論：400匝線圈有了鐵芯電流劇烈減少、對(duì)比100匝的線圈有了鐵芯電流只是有點(diǎn)減少。再結(jié)合步驟3、4、5，我們可以得出教材上沒有的結(jié)論：（1）空芯線圈匝數(shù)越多自感系數(shù)越大——但匝數(shù)增加對(duì)自感系數(shù)的貢獻(xiàn)不大；（2）有鐵芯、且線圈匝數(shù)越多自感系數(shù)就非常大。

8.把圖1中的AB接在“交流”接線柱上，讀出交流電流表讀數(shù)大約1.4A，不斷開電源，把線圈插入鐵芯中、并使鐵芯封閉，發(fā)現(xiàn)100匝這個(gè)線圈的電流也幾乎也是零。

結(jié)論：我們發(fā)現(xiàn)了個(gè)教材上沒有的規(guī)律，閉合鐵芯的自感系數(shù)比開放鐵芯的自感系數(shù)大得多。

9.把圖1中的EF接在“交流”接線柱上，讀出交流電流表讀數(shù)，大約1.8A，插入鐵芯、使鐵芯閉合，電流都不變。

結(jié)論：對(duì)比步驟4、7和8，100匝的雙向并繞線圈的電流大于100匝的單向繞制的線圈的電流；而且電流與有無鐵芯無關(guān)，可以得出雙線并繞線圈可以消除自感影響。

以下實(shí)驗(yàn)，先把兩個(gè)線圈都裝回到鐵芯上，把鐵芯完全閉合，就成一個(gè)變壓器。交流電流表串聯(lián)在原線圈上。

10.把圖1中的AB線圈與交流電流表串聯(lián)接入“交流4V”電源，變壓器的電流表讀數(shù)幾乎為零。

結(jié)論：沒有負(fù)載時(shí)，變壓器的勵(lì)磁電流很小，可以忽略。

11.繼續(xù)步驟10實(shí)驗(yàn)。測量圖1中的PQ兩端電壓大約3.5伏。

結(jié)論：AB線圈的匝數(shù)和PQ線圈的匝數(shù)比為10∶8，與它們的電壓之比4∶3.5接近相等，變壓器的電壓與匝數(shù)成正比。

12.繼續(xù)步驟11實(shí)驗(yàn)，電源開關(guān)從“交流4V”變?yōu)椤敖涣?V”，會(huì)發(fā)現(xiàn)PQ線圈的電壓立即上升到大約5伏。

結(jié)論：說明變壓器的輸出電壓是由匝數(shù)和輸入電壓決定的。

13.繼續(xù)步驟12實(shí)驗(yàn)。電源開關(guān)置于“交流4V”，把小燈泡接入PQ線圈兩端。接通開關(guān)，會(huì)發(fā)現(xiàn)小燈泡變亮了，同時(shí)電流表讀數(shù)也從接近于零增大到0.2A。如果再并聯(lián)一個(gè)小燈泡，會(huì)發(fā)現(xiàn)交流電流表讀數(shù)增大到0.4A。

結(jié)論：變壓器的原線圈的電流是由負(fù)載決定的。

13.把線圈從鐵芯上撤下，插入粗銅塊，電流增加幅度不大，說明銅塊中產(chǎn)生了渦流。

五、本儀器的實(shí)用價(jià)值

本設(shè)備可以經(jīng)過小型化，可以規(guī)?；a(chǎn)，廣泛應(yīng)用于高中物理電磁學(xué)教學(xué)中。