自感現(xiàn)象全程一體化的教學(xué)設(shè)計(jì)

呂基昌

(浙江省縉云中學(xué) 浙江 麗水 321400)

1 自感定義的引出

提出問題：當(dāng)線圈中的電流變化時(shí)，其變化的磁場(chǎng)在鄰近電路中會(huì)激發(fā)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，這是互感現(xiàn)象.同時(shí)，變化磁場(chǎng)也會(huì)影響自身，將會(huì)產(chǎn)生什么現(xiàn)象？

觀察自感現(xiàn)象：采用圖1的電路，用J2446自感現(xiàn)象演示器進(jìn)行實(shí)驗(yàn).

圖1 自感現(xiàn)象演示器電路

演示1：選兩只規(guī)格均為“3.8 V，0.3 A”的燈泡實(shí)驗(yàn).接通電路，電壓逐步升至6～8 V，調(diào)整電阻R的值，使兩燈的亮度相同后斷開開關(guān).

再閉合開關(guān)瞬間，電阻支路上的A2幾乎立即變亮，而與它并聯(lián)的電感支路上的A1則較慢變亮；達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，兩燈亮度相同.斷開開關(guān)瞬間，兩燈同時(shí)變暗直至熄滅.

思考：兩燈規(guī)格相同，所加電壓相同，為何變亮?xí)邢群竽兀?/p>

理解：A1與電感線圈L串聯(lián)，當(dāng)線圈中的電流增大時(shí)，變化磁場(chǎng)在自身激發(fā)了感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，阻礙電流增大，使電流增大變慢，A1逐漸變亮.

由此引出自感的定義.

2 斷電自感的疑惑

通電瞬間，磁場(chǎng)增強(qiáng)有自感;斷電瞬間，磁場(chǎng)減弱也應(yīng)有自感，但為什么看不到燈泡慢些熄滅呢？

從理論上分析，斷電瞬間，電源不再供電，兩燈上的電壓，本應(yīng)立即減小到零.但是，線圈L中電流減小時(shí)，會(huì)產(chǎn)生自感電動(dòng)勢(shì)，其方向與電流方向(即電源電動(dòng)勢(shì)方向)相同，成為L(zhǎng)A1A2RL串聯(lián)回路中的新電源，再提供瞬間電流.兩燈中的電流從原數(shù)值開始減小，電壓也會(huì)同步減小，而線圈會(huì)使電流和電壓減小得慢些，兩燈都逐漸變暗.但是，由于兩燈上的電壓是等值反向，兩燈變暗的情景完全相同，因此，從燈泡的亮度變化上，無法判斷是否發(fā)生自感.

圖2 兩燈的電壓隨時(shí)間變化

演示2：電路中接入電壓傳感器重做此實(shí)驗(yàn)，在視頻上顯示從通電到斷電的全過程中，兩燈上的電壓隨時(shí)間變化的圖像，如圖2所示.起始段，圖線U1的陡度比圖線U2的陡度小，說明電流增大瞬間，由于電感的阻礙作用，A1上的電壓U1比A2上的電壓U2增大得慢些；中間段，兩條圖線與時(shí)間軸平行重合，說明電流穩(wěn)定時(shí)，A1，A2的電壓恒定且相等；結(jié)束段，A1上電壓U1從原數(shù)值一直減小到零，而A2上電壓U2，先反向(等值)再減小到零，這說明在電流減小瞬間，自感現(xiàn)象確實(shí)存在.

3 全程一體化探究

思考：怎樣設(shè)計(jì)電路，才能從燈泡亮度上直觀呈現(xiàn)斷電時(shí)的自感現(xiàn)象呢？

設(shè)想：如果A1的電阻比A2的小，又將如何？

這樣，通電期間，A1的電流I1就比A2的電流I2大；斷電瞬間，由于電流不會(huì)發(fā)生突變，因此，通過A2的電流，從A1原電流I1的數(shù)值開始減小，而I1的數(shù)值大于A2原電流I2的數(shù)值，通過A2的電流突然增大，使A2在瞬間突然變亮.

演示3：用實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)以上設(shè)想是否正確.

電路結(jié)構(gòu)不變，只把A1的規(guī)格換成“3.8 V，0.7 A”，A2的規(guī)格還是“3.8 V，0.3 A”.先后接入電流傳感器和電壓傳感器實(shí)驗(yàn).適當(dāng)選擇電壓，閉合開關(guān)，調(diào)節(jié)R的值使兩燈亮度差不多，屏幕上顯示穩(wěn)態(tài)時(shí)，兩燈上的電壓幾乎相等，而電流不等，I1>I2.通電瞬間，電阻支路上的A2幾乎立即變亮，而電感支路上的A1則較慢變亮；達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，兩燈亮度相同.斷電瞬間，A1立即變暗至熄滅，但 A2先閃亮一下再變暗至熄滅，通電自感和斷電自感現(xiàn)象都十分明顯.在視頻上顯示從通電到斷電的過程中，兩燈上的電流和電壓隨時(shí)間變化的圖像，如圖3，4所示.

從圖像中可以看出，斷電瞬間，A1的電壓從原值很快減小到零，而A2的反向電壓比斷電前的電壓大得多，這就是瞬間突然變亮的原因.實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)A1的電阻比A2的電阻小時(shí)，不僅能在通電瞬間看到A1逐漸變亮的自感現(xiàn)象，也能在斷電瞬間看到A2先閃亮再變暗的自感現(xiàn)象.

圖3 A1和A2電流隨時(shí)間變化

圖4 A1和A2電壓隨時(shí)間變化

思考：斷電瞬間，燈泡的發(fā)光還能維持一小段時(shí)間，甚至瞬間比斷開前更亮，它的能量從哪里來？

理解：通電瞬間，線圈中的電流從無到有，磁場(chǎng)也是從無到有，電源把能量輸送給磁場(chǎng)，電能轉(zhuǎn)化為磁場(chǎng)能；斷電瞬間，磁場(chǎng)減弱，磁場(chǎng)能轉(zhuǎn)化為電能，可使電流再維持一段時(shí)間(這個(gè)問題以后還會(huì)詳細(xì)討論).

思考：在圖3的I-t圖像起始段為何會(huì)凸起？

理解：燈絲電阻會(huì)因溫度高低而發(fā)生變化.電路剛接通瞬間，燈絲的溫度低于穩(wěn)態(tài)值，電阻較小，瞬間電流比穩(wěn)態(tài)電流大，因此，圖線的起始段有一個(gè)向上凸起，這是用燈泡演示的缺點(diǎn).

圖5

演示4：用定值電阻R1=5 Ω，R2=10 Ω實(shí)驗(yàn).電路如圖5所示，在視頻上顯示電路從接通到斷開全過程中，兩電阻上電流和電壓隨時(shí)間變化的圖像如圖6,7所示，是兩條比較規(guī)范的曲線，圖線起始段和結(jié)束段的彎曲部分，與指數(shù)曲線相擬合，能更準(zhǔn)確地反映自感現(xiàn)象的規(guī)律.

圖6 R1和R2電流隨時(shí)間變化

圖7 R1和R2電壓隨時(shí)間變化

結(jié)論：當(dāng)一個(gè)線圈中電流變化時(shí)，它產(chǎn)生的變化磁場(chǎng)在鄰近的電路中會(huì)激發(fā)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，阻礙原磁場(chǎng)的變化，這是互感現(xiàn)象.與此同時(shí)，變化磁場(chǎng)也會(huì)在自身激發(fā)出感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)(自感電動(dòng)勢(shì))，阻礙電路中電流的變化，這是自感現(xiàn)象.互感現(xiàn)象和自感現(xiàn)象都是電磁感應(yīng)現(xiàn)象，是電磁感應(yīng)現(xiàn)象的兩種不同表現(xiàn)形式.

4 自感電動(dòng)勢(shì)的計(jì)算

思考：如何計(jì)算自感電動(dòng)勢(shì)的大??？

理解：因?yàn)?/p>

所以

式中L為自感系數(shù).

5 自感現(xiàn)象的應(yīng)用

思考：自感現(xiàn)象在生產(chǎn)和生活中有什么意義？

利用自感實(shí)例：用延時(shí)繼電器制造延時(shí)開關(guān).

防止自感危害實(shí)例：

(1)大功率電器要用油浸開關(guān)(可以設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生親身體驗(yàn)斷電自感) .

(2)線圈應(yīng)采用雙線繞法.

課后思考題：按圖8連接電路，在燈泡支路中串聯(lián)電流傳感器實(shí)驗(yàn)(已知線圈的直流電阻比燈泡的電阻小).問：

圖8

圖9 燈泡電流隨時(shí)間變化

(1)電路從接通到斷開的過程中，你看到什么現(xiàn)象？

(2)電腦屏幕上呈現(xiàn)燈泡中的I-t圖像如圖9，對(duì)電路接通和斷開瞬間發(fā)生的現(xiàn)象應(yīng)如何解釋？