應用傳感器優(yōu)化自感教學

陳 燕

(蘇州市第十中學,江蘇蘇州 215006)

數(shù)字化實驗系統(tǒng)應用的案例已出現(xiàn)在高中物理新教材中的一些演示實驗和“做一做”等欄目.數(shù)字化實驗系統(tǒng)能使學生自主探究,實現(xiàn)學習方式多樣化.本文討論如何將傳感器應用于自感教學的課堂實踐,供同仁們參考.

1 應用傳感器優(yōu)化自感教學課堂實踐

圖1

通過教學讓學生理解自感現(xiàn)象是一種電磁感應現(xiàn)象——由于導體本身的電流變化而產(chǎn)生的電磁感應現(xiàn)象.所謂“自感”,就是線圈自身電流發(fā)生變化時,線圈本身產(chǎn)生感應電動勢(若電路閉合,就會產(chǎn)生感應電流).這個自感電動勢總是阻礙原電流的變化.

(1)在教學中以千人震實驗(如圖1)讓學生體驗斷電自感時的觸電感覺,千人震實驗效果震撼,學生瞬間“觸電”興趣盎然,設置懸念,引入自感新課教學.

(2)做好教材中兩個傳統(tǒng)的演示實驗.

①通電自感演示(電路如圖2).

接通電路,緩慢調(diào)整滑動變阻器的阻值,使兩個燈泡A1、A2發(fā)光亮度相同;斷開電路后,再接通電路,注意燈泡A1、A2發(fā)光情況,重復幾次.讓學生看到每次電路接通時,燈A1總比燈A2滯后一段時間才亮.引導學生分析得到在接通電路的瞬間,通過線圈 L電流增大,該電流產(chǎn)生的磁場增強,穿過線圈L的磁通量也隨著增大,根據(jù)法拉第電磁感應定律可知這個線圈中產(chǎn)生感應電動勢,用楞次定律判斷感應電流的磁場阻礙磁通量增加,因而這個感應電動勢與原電流反向,阻礙線圈中電流的增大,所以通過A1的電流只能逐漸增大,燈泡A1只能逐漸亮起來.

圖2

圖3

②斷電自感演示(電路如圖3).

接通電路調(diào)整滑動變阻器的滑動頭,使燈 A發(fā)出微弱的光,斷開開關,觀察燈 A發(fā)光情況,重復幾次.學生應看到電路斷開時燈 A閃亮一下再熄滅.

圖4

引導學生分析得到斷開開關時,線圈 L中原有的從左向右的電流開始減小,該電流產(chǎn)生的磁場減小,穿過線圈L的磁通量也隨著減小,根據(jù)法拉第電磁感應定律可知這個線圈中產(chǎn)生感應電動勢,用楞次定律判斷感應電流的磁場阻礙磁通量減小,因而這個感應電動勢與原電流同向,阻礙線圈中電流的減小,由于電源干路已處于斷路狀態(tài),所以線圈中逐漸減小的電流要反向通過燈泡 A.線圈電阻較小,這個電流比燈泡原來電流大,IL＞IA,所以燈泡閃亮一下再熄滅.

(3)通過電流傳感器借助計算機顯示電流隨時間變化圖像(電路如圖4).

①用電流傳感器得出閉合開關到斷開開關過程中通過燈 A電流隨時間變化的函數(shù)圖線(圖5).閉合開關電流立刻突然增大,燈泡支路無感應電動勢阻礙電流增大;斷開開關立刻反向增大再逐漸減小到零,所以燈閃亮一下再熄滅.(提示學生分析千人震斷電有觸電感覺的原因,人與燈泡類似)

圖5

圖6

圖7

減小燈 A的電阻,斷開開關通過燈 A電流立刻反向(小于正向電流)再逐漸減小到零,燈不會閃亮,見圖6.

②用電流傳感器得出閉合開關到斷開開關過程中通過線圈 L電流隨時間變化的函數(shù)圖線(圖7).閉合開關,感應電流逐漸增大,斷開開關,感應電流逐漸減小.

圖8

③將并聯(lián)燈泡拆掉,用電流傳感器得出閉合開關到斷開開關過程中通過線圈 L的電流隨時間變化的圖線(圖8).閉合開關電磁感應電流逐漸增大,斷開開關沒有通路,雖然有感應電動勢,但沒有感應電流,所以電流立刻為零.

通過電流傳感器借助計算機動態(tài)顯示電流隨時間變化圖像,學生理解自感更為形象、直觀.

因而由通、斷電實驗得到共同結論:當線圈中的電流發(fā)生變化時,線圈本身產(chǎn)生感應電動勢,該電動勢總是阻礙線圈中原來電流變化.

也可創(chuàng)設條件指導學生分組應用傳感器借助計算機自主探究通斷電自感及探究自感系數(shù)與線圈形狀、長短、匝數(shù)、有無鐵芯的關系,對于自感的理解體會將更深刻.

2 總結

做好教材中兩個傳統(tǒng)方式的通、斷電自感演示實驗,再應用傳感器借助計算機實時動態(tài)記錄、顯示實驗數(shù)據(jù)的強大功能,變不見為可見的優(yōu)勢優(yōu)化自感教學.通過電流傳感器借助計算機得出閉合開關到斷開開關過程中通過燈 A和線圈L電流隨時間變化的函數(shù)圖線;將并聯(lián)的燈泡拆掉,得出閉合開關到斷開開關過程中通過線圈 L電流隨時間變化的函數(shù)圖線.

數(shù)字化實驗系統(tǒng)創(chuàng)設了一個新的實驗探究平臺,學生擺脫數(shù)據(jù)讀取、記錄,公式運算和圖線描繪等繁瑣的勞動,有充裕的時間多角度的感知和探究物理現(xiàn)象,并可從多個角度對原有實驗進行拓展研究.

1 物理課程教材研究開發(fā)中心.物理(選修3-2).北京:人民教育出版社,2004.