巧設實驗，提升思維，促進運用——淺析“電感和電容對交變電流的影響”實驗設計

冀 林 周穎潔

（1.江蘇省常州高級中學，江蘇 常州 213000；2常州市田家炳高級中學，江蘇 常州 213000）

“電感和電容對交變電流的影響”是人教版物理選修3-2第5章“交變電流”中第3節(jié)的內容.本節(jié)課的知識目標是形成對電感和電容的4句話認識，即“通直流，阻交流”、“通低頻，阻高頻”、“通交流，隔直流”、“通高頻，阻低頻”.如何讓學生真正理解進而到達應用層次，一直是本節(jié)課比較難以解決的問題.如果能有比較好的實驗鋪墊，在實驗現(xiàn)象的基礎上進行總結歸納，無疑是非常理想的一種教學方式.下面就結合這節(jié)課的若干實驗設計，對以實驗為主的教學方式做初步的探討.

1 電感和電容對直流與交變電流的影響比較

演示實驗1.電感對直流、交變電流的影響.

實驗目的：（1）比較直流和交流電壓相同時，小燈泡的亮暗情況.（2）比較有無電感時，小燈泡的亮暗情況.

實驗儀器：4V直流電源；4V交流電源；小燈泡（3.8V，0.3A）；電感器（帶閉合鐵芯的線圈）；開關兩只；導線若干.

圖1

實驗電路：如圖1所示.

實驗現(xiàn)象：加直流電時，有、無電感情況下，小燈泡亮度幾乎不變；加交變電流時，無電感情況下小燈泡亮，有電感情況下小燈泡很暗.

總結規(guī)律：（1）電感對恒定電流的阻礙作用??；（2）電感對交變電流的阻礙作用大.

演示實驗2.電容對直流、交變電流的影響.

實驗目的：（1）比較直流和交流電壓相同時，小燈泡的亮暗情況.（2）比較有無電容時，小燈泡的亮暗情況.

圖2

實驗儀器：4V直流電源；4V交流電源；小燈泡（3.8V，0.5A）；電容器（470μF）；開關；導線若干.

實驗電路：如圖2所示.

實驗現(xiàn)象：加直流電時，有電容情況下燈泡不亮，無電容情況下燈泡亮；加交變電流時，無電容情況下燈泡亮，有電容情況下燈泡較暗.

總結規(guī)律：（1）直流電不能夠通過電容（隔直流）；（2）交變電流能“通過”電容；（3）電容對交變電流有阻礙作用.

設計意圖：通過直流、交變電流的比較，回顧復習電感和電容在直流電中的作用，初步認識電感和電容在交流電路中的阻礙作用.為接下來討論兩者在交流電路中的作用進行鋪墊.

2 影響電感和電容對交變電流阻礙作用的因素

分組實驗1.電感大小對燈泡亮暗程度的影響.

實驗目的：探究電感大小對交變電流的阻礙能力.

實驗儀器：4V交流電源；小燈泡（3.8V，0.3A）；開關；電感器（帶閉合鐵芯可變匝數(shù)的線圈）；導線若干.

實驗電路：如圖3所示.

實驗現(xiàn)象及結論：見表1.

圖3

表1

分組實驗2.電容大小對燈泡亮暗程度的影響.

實驗目的：探究電容大小對交變電流的阻礙能力.

實驗儀器：4V交流電源；小燈泡（3.8V，0.3A）；開關；電容器（470μF、1000μF各1個）；導線若干.

實驗電路：如圖4所示.

實驗現(xiàn)象及結論：見表2.

圖4

表2

設計意圖：通過分組實驗，培養(yǎng)學生實驗能力，探究電感、電容大小對阻礙交變電流通過能力的影響.在表格中多列一項其他影響因素的猜想，啟發(fā)學生聯(lián)系所學知識，進一步思考，提升思維品質.

演示實驗3.交變電流頻率高低對燈泡亮暗程度的影響.

實驗目的：探究頻率對電感和電容阻礙交變電流能力的影響.

實驗儀器：信號發(fā)生器（輸出電壓可調、頻率可調的正弦交變電流）；小燈泡（3.8V，0.3A）；開關；電感器（無鐵芯線圈）；電容器（1000μF）；導線若干.

實驗電路：同圖3、圖4.

實驗現(xiàn)象：（1）對于電感，頻率高時燈泡暗，頻率低時燈泡亮；（2）對于電容，頻率高時燈泡亮，頻率低時燈泡稍暗.

總結規(guī)律：（1）頻率越高，電感的阻礙作用越強，電容的阻礙作用越弱；頻率越低，電感的阻礙作用越弱，電容的阻礙作用越強.

（2）大量的實驗和數(shù)學推導表明，可用以下2個式子反映電感和電容對交變電流阻礙能力的大小，分別稱之為“感抗”和“容抗”.

設計意圖：由于儀器條件的限制，改變交變電流頻率的實驗只能由教師進行演示.感抗和容抗的表達式是課本沒有給出的，但筆者認為有了這2個表達式可以從理論上更好地支持實驗現(xiàn)象，并為應用規(guī)律分析問題做好理論支撐.

3 電感器和電容器在交流電路中的作用

演示實驗4.對比兩種電感在交變電流頻率高低情況下的燈泡亮暗.

實驗目的：實驗與理論相結合，得出電感器的作用.

圖5

實驗儀器：信號發(fā)生器（輸出電壓可調、頻率可調的正弦交變電流）；小燈泡2只（3.8V，0.3A）；開關；導線若干；電感器L1（無鐵芯匝數(shù)少線圈，電感較??；電感器L2（有閉合鐵芯匝數(shù)多線圈，電感較大）.

實驗電路：如圖5所示.

實驗現(xiàn)象：見表3.

表3

實驗結論：電感器的兩類作用為“通直流，阻交流”、“通低頻，阻高頻”.

圖6

演示實驗5.對比兩種電容在交變電流頻率高低情況下的燈泡亮暗.

實驗目的：實驗與理論相結合，得出電容器的作用.

實驗儀器：信號發(fā)生器（輸出電壓可調、頻率可調的正弦交變電流）；小燈泡2只（3.8V，0.3A）；開關；導線若干；電容器C1（3300μF）；電容器C2（4.7μF）

實驗電路：如圖6所示.

實驗現(xiàn)象：見表4.

表4

實驗結論：電容器的兩類作用為“通交流，隔直流”；“通高頻，阻低頻”.

設計意圖：上面4句話結論雖然可以根據理論公式進行分析得出，但很難給學生留下深刻印象.借助于這兩個對比實驗，可以很清晰地通過實驗現(xiàn)象，結合理論公式進行理解.低頻扼流圈、高頻扼流圈、高頻旁路電容的概念就能很自然地讓學生接受.

4 電感器和電容器的應用實例

問題：當上一級同時輸入高頻、低頻兩種信號，要使下一級僅輸出高頻或低頻信號，應該在電路上加怎樣的電容或電感實現(xiàn)效果.試完成圖7空白區(qū)域的電路設計.

圖7

解決步驟1：結合理論，提出以下解決方案.如圖8、9、10所示.

圖8

圖9

圖10

解決步驟2：設計實驗，檢驗方案是否可行.

（1）相關設備：電腦（音頻信號）；功放（放大音頻信號）；音箱（播放音頻信號）；電感（無鐵芯小線圈）；電容（4.7μF，2200μF各1個）；導線若干.

（2）電路結構：如圖11所示.

（3）實驗現(xiàn)象：通過在輸出端之前加3種過濾電路（如圖8、9、10中虛線框中所示），與未經處理的音頻信號相比較，能夠清晰地聽出高頻或低頻信號被過濾后的效果.

圖11

設計意圖：以設計性實驗的方式創(chuàng)設物理情境，對學生的思維能力要求較高，將本節(jié)課的難度提升到超過教學要求的層次.但正是通過具體實例進行演示，真正體現(xiàn)了物理學規(guī)律的重要價值之一——推動科技的發(fā)展.因此，筆者認為該實驗的成功設計與演示是本節(jié)課的精華所在.

5 總結

以上4部分實驗設計圍繞著電感和電容在電路中的影響展開，通過大量實驗現(xiàn)象的對比，有效地化解了知識理解中的難點，使得規(guī)律易于接受和掌握.與此同時，通過設計性實驗，將理論與實際運用相結合，調動了學生的學習熱情和思維水平，達到了三維目標的要求.

1 曹會，張飛.巧設實驗主線凸顯學科教學的“物理味”——“探究感應電流產生的條件”展示課回眸［J］.物理教師，2013（2）：34-35，37.