利用DIS實驗系統(tǒng)改進(jìn)自感演示實驗

韓海波

(廣州市番禺區(qū)象賢中學(xué) 廣東 廣州 511483)

自感現(xiàn)象的實驗演示，在普通高中物理新課程標(biāo)準(zhǔn)中，被列為必做的實驗內(nèi)容.但不少物理教師感到這個實驗很難做好，而且學(xué)生學(xué)完這一部分內(nèi)容后掌握情況普遍不夠理想，思維上總有一些誤區(qū).而將DIS實驗系統(tǒng)引入自感演示實驗的教學(xué)中，效果則大不相同.對此，筆者根據(jù)自己在教學(xué)中的體會談一點感想.

1 傳統(tǒng)實驗所存在的問題

傳統(tǒng)實驗電路圖如圖1和2所示.通、斷電實驗裝置分離，易給學(xué)生這樣的錯覺，似乎在一個電路中只在通電時才有自感現(xiàn)象發(fā)生，而在另一個電路中則只是在斷電時才有自感現(xiàn)象發(fā)生.

圖1 通電自感電路圖 圖2 斷電自感電路圖

在演示斷電自感中為說明小燈泡的熄滅有一個延遲，教材中的演示實驗故意設(shè)置成燈泡閃亮一下，這樣的設(shè)置盡管是說明了斷電自感現(xiàn)象的存在，但是卻給學(xué)生留下了難以磨滅的印象，認(rèn)為只要是斷電自感小燈泡就一定會閃亮一下；認(rèn)為斷電過程中，自感電動勢必然很大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過電源的電動勢.

自感現(xiàn)象中對自感電動勢方向的判斷是本節(jié)課教學(xué)的重點，也是一個難點問題;然而教材中演示實驗卻不能直觀地顯示出自感電動勢的方向.

2 利用DIS系統(tǒng)改進(jìn)傳統(tǒng)實驗

基于以上分析，在教學(xué)實踐中筆者體會到，將DIS實驗系統(tǒng)引入自感實驗中將會解決傳統(tǒng)實驗所存在的問題和不足，可收到比較好的教學(xué)效果.

2.1 實驗裝置

實驗電路如圖3所示.通電自感和斷電自感合二為一，在原本通電自感電路的兩條支路中連接兩個電流的傳感器.

圖3 基于DIS的自感現(xiàn)象電路圖

2.2 實驗過程及分析

2.2.1 實驗過程

(1)調(diào)節(jié)滑動變阻器R的阻值，使開關(guān)閉合時，小燈泡L1和L2亮度相同.

(2)閉合開關(guān)S瞬間，讓學(xué)生觀察小燈泡L1和L2的亮度情況.

(3)斷開開關(guān)S瞬間，讓學(xué)生觀察小燈泡L1和L2的亮度情況.

(4)以上操作的同時用數(shù)據(jù)采集器采集兩條支路在開關(guān)閉合和斷開瞬間電流的變化情況.

2.2.2 實驗現(xiàn)象

(1)閉合開關(guān)S瞬間，L2先亮，L1后亮;說明開關(guān)閉合瞬間有自感現(xiàn)象發(fā)生.

(2)斷開開關(guān)S瞬間，小燈泡L1,L2熄滅.因為時間太短，肉眼很難分辨出是逐漸熄滅還是立即熄滅的.

(3)數(shù)據(jù)采集器采集到的數(shù)據(jù)圖像如圖4，其中圖線Ⅰ顯示的是L1支路中的電流，圖線Ⅱ顯示的是L2支路中的電流.

2.2.3 對圖像的分析

閉合開關(guān)S瞬間，L1支路中的電流是緩慢增大的，而L2支路中的電流是瞬間增加的，說明了通電自感現(xiàn)象的存在；2.9 s時斷開開關(guān)S的瞬間，兩條支路的電流都不是立即為零，而是逐漸減小到零.圖線Ⅰ顯示L1支路中電流逐漸減小到零,圖線Ⅱ顯示L2支路中的電流瞬間反向達(dá)到峰值再逐漸減小到零;由此證明了斷電自感現(xiàn)象的存在.

結(jié)合圖4，對感應(yīng)電動勢方向做進(jìn)一步的分析.

圖4 通斷電自感中兩支路電流變化圖像

針對L2支路中的電流瞬間反向進(jìn)而思考自感電動勢的方向問題.當(dāng)開關(guān)斷開時，線圈L中電流減小，產(chǎn)生自感電動勢，阻礙電流的減小.因此自感電動勢的方向與原電流方向相同，故L1支路中電流是逐漸減小的，如圖線Ⅰ所示.由于此時開關(guān)已經(jīng)斷開，所以燈泡L1、燈泡L2、電阻R、線圈L形成新的回路.感應(yīng)電流流過L2時，電流方向與原開關(guān)閉合時電流方向相反(如圖5);故L2支路中電流是先瞬間反向，再逐漸減小.最后燈泡L1、燈泡L2同時熄滅，如圖線Ⅱ所示.

圖5 開關(guān)斷開瞬間電流方向

3 結(jié)語

自感現(xiàn)象的發(fā)生是瞬間完成的，時間短，可見度小，肉眼不易觀察與分辨.而DIS實驗系統(tǒng)有著強大的數(shù)據(jù)采集功能，能夠?qū)崿F(xiàn)實時觀察與動態(tài)記錄.利用DIS實驗系統(tǒng)記錄下通電自感和斷電自感現(xiàn)象中電流的變化情況，可以使學(xué)生清楚地認(rèn)識到同一個電路在開關(guān)閉合和斷開瞬間都會有自感現(xiàn)象發(fā)生.不僅如此，圖像還清晰的反映出了自感電動勢的方向，在看圖、讀圖的過程中學(xué)生實現(xiàn)了由定性觀察向定量分析的提升.在此基礎(chǔ)上，教師可以再次演示傳統(tǒng)實驗中的斷電自感，讓學(xué)生明確“閃亮一下”的條件.教學(xué)實踐中發(fā)現(xiàn)，這樣的處理方式收到了比較好的教學(xué)效果.

參考文獻(xiàn)

1 保宗悌，姚躍涌，等.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實驗教科書·物理(3-2).廣州：廣東教育出版社，2005

2 錢揚義.手持技術(shù)在理科實驗中的應(yīng)用研究.北京：高等教育出版社，2003