“斷電自感”實(shí)驗(yàn)的誤區(qū)與分析

路玉燕

〔關(guān)鍵詞〕 物理教學(xué)；“斷電自感”實(shí)驗(yàn)；誤區(qū)

〔中圖分類號(hào)〕 G633.7 〔文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼〕 A

〔文章編號(hào)〕 1004—0463（2014）19—0119—01

斷電自感實(shí)驗(yàn)是高中物理重要的演示實(shí)驗(yàn)之一，也是電磁感應(yīng)部分高考的熱點(diǎn)之一.雖然教師在課堂上做了演示實(shí)驗(yàn)，又進(jìn)行了理論分析，學(xué)生還是對(duì)斷電自感的認(rèn)識(shí)存在一些問(wèn)題.下面，筆者結(jié)合教學(xué)實(shí)踐，談?wù)剶嚯娮愿袑?shí)驗(yàn)中學(xué)生認(rèn)識(shí)的幾個(gè)誤區(qū).

誤區(qū)一：誤認(rèn)為斷電自感實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象是燈泡一定閃亮一下才熄滅。存在這樣認(rèn)識(shí)的原因是教材中為了使實(shí)驗(yàn)效果更明顯，設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)是開(kāi)關(guān)斷開(kāi)的瞬間燈泡閃亮一下才逐漸熄滅，使學(xué)生形成了這樣認(rèn)識(shí).實(shí)際此實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象是：燈泡會(huì)逐漸變暗并熄滅，并不一定閃亮一下才熄滅.

分析：實(shí)驗(yàn)電路如下圖1所示：

1.當(dāng)K斷開(kāi)的瞬間，A中原電流立即消失，但由于通過(guò)L的電流要減小，線圈中產(chǎn)生阻礙電流減小的與原電流同向的自感電動(dòng)勢(shì)，使其中電流減小的速度減慢.這時(shí)，雖然電源已切斷，但線圈L和燈泡A組成了閉合回路，自感電動(dòng)勢(shì)在這個(gè)回路中產(chǎn)生與原電流方向相同的自感電流通過(guò)燈泡A（此時(shí)A 中電流方向與原電流方向是相反的），因此燈泡不會(huì)立即熄滅，而是逐漸熄滅.

2.燈泡是否會(huì)閃亮后逐漸熄滅取決于電路穩(wěn)定時(shí)通過(guò)燈泡和線圈的電流IA和IL大?。↖A和IL分別為電路穩(wěn)定時(shí)燈泡和線圈中電流大?。?當(dāng)IL >IA時(shí)，斷電瞬間由線圈和燈泡組成的回路的電流就要從IL開(kāi)始減小，這樣燈泡會(huì)閃亮一下再逐漸熄滅；若IL =IA，則斷開(kāi)電路的瞬間，燈泡會(huì)逐漸熄滅.若IL < IA，電路斷開(kāi)時(shí)，燈泡會(huì)突然暗一下再逐漸熄滅.燈A“閃亮”的條件：

⑴當(dāng)線圈L的直流電阻為RL≥RA時(shí)，必有穩(wěn)定電流IL≤IA，故斷開(kāi)K的瞬間通過(guò)燈A的電流的大小為IL而較A的電流IA小，因而燈A將逐漸變暗到熄滅.

⑵當(dāng)線圈L的直流電阻為RL

說(shuō)明，上面所說(shuō)的斷開(kāi)K前IL >IA只是小燈光閃亮的一個(gè)必要條件，它是否閃亮還與線圈是否帶有鐵芯有關(guān).

誤區(qū)二：誤認(rèn)為K斷開(kāi)的瞬間電路中電流會(huì)大于IL .學(xué)生認(rèn)為K斷開(kāi)時(shí)線圈中的自感電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生與原來(lái)電流方向相同的電流，因此電路中的實(shí)際電流是二者之和，即大于IL .

分析：1.由楞次定律知，K閉合或斷開(kāi)的瞬間在線圈中產(chǎn)生的自感電動(dòng)勢(shì)，其作用是阻礙導(dǎo)體本身電流的變化。當(dāng)原來(lái)電流增大時(shí)，自感電動(dòng)勢(shì)與原來(lái)電流反向；當(dāng)原來(lái)電流減小時(shí)，自感電動(dòng)勢(shì)與原來(lái)電流同向.值得注意的是：“阻礙”并不是“阻止”，而是“延緩”.因此通電自感電動(dòng)勢(shì)不會(huì)超過(guò)電源的電動(dòng)勢(shì)，斷電自感電流的大小不會(huì)超過(guò)斷電前瞬間線圈中的電流的大小IL，這正是“阻礙”意義的真實(shí)體現(xiàn).因此斷開(kāi)K的瞬間，電路中最大電流是IL.

2. 從能量的角度分析：電路斷開(kāi)后線圈將原來(lái)儲(chǔ)存起來(lái)的能量（磁場(chǎng)能）通過(guò)自感而經(jīng)回路L、A釋放，故在K斷開(kāi)前、后的瞬間線圈的能量（磁場(chǎng)能）是相等的，而磁場(chǎng)是由電流產(chǎn)生的，因而K斷開(kāi)后瞬間線圈中的總電流強(qiáng)度與斷開(kāi)前的電流強(qiáng)度IL必相等.所以斷電自感中線圈中的電流將從斷開(kāi)前的電流強(qiáng)度IL開(kāi)始減小。那么開(kāi)關(guān)斷開(kāi)瞬間加于電燈L兩端的瞬間電壓為UA=ILRA.

誤區(qū)三：誤認(rèn)為斷開(kāi)K的瞬間自感電動(dòng)勢(shì)不會(huì)超過(guò)電源電動(dòng)勢(shì).

分析：根據(jù)E=L可知，自感電動(dòng)勢(shì)與電流變化率成正比，還與線圈本身有關(guān)，如線圈的大小，形狀，匝數(shù)，以及是否帶有鐵芯有關(guān)，而與電源電動(dòng)勢(shì)無(wú)直接關(guān)系，在斷電自感中自感電動(dòng)勢(shì)可以大于電源電動(dòng)勢(shì).如日光燈開(kāi)始工作時(shí)，在啟輝器斷電的瞬間，鎮(zhèn)流器產(chǎn)生一個(gè)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于220V的自感電動(dòng)勢(shì)，與電源電壓一起加在日光燈的兩端，使燈管內(nèi)氣體導(dǎo)通而發(fā)光.

編輯：謝穎麗

〔關(guān)鍵詞〕 物理教學(xué)；“斷電自感”實(shí)驗(yàn)；誤區(qū)

〔中圖分類號(hào)〕 G633.7 〔文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼〕 A

〔文章編號(hào)〕 1004—0463（2014）19—0119—01

斷電自感實(shí)驗(yàn)是高中物理重要的演示實(shí)驗(yàn)之一，也是電磁感應(yīng)部分高考的熱點(diǎn)之一.雖然教師在課堂上做了演示實(shí)驗(yàn)，又進(jìn)行了理論分析，學(xué)生還是對(duì)斷電自感的認(rèn)識(shí)存在一些問(wèn)題.下面，筆者結(jié)合教學(xué)實(shí)踐，談?wù)剶嚯娮愿袑?shí)驗(yàn)中學(xué)生認(rèn)識(shí)的幾個(gè)誤區(qū).

誤區(qū)一：誤認(rèn)為斷電自感實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象是燈泡一定閃亮一下才熄滅。存在這樣認(rèn)識(shí)的原因是教材中為了使實(shí)驗(yàn)效果更明顯，設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)是開(kāi)關(guān)斷開(kāi)的瞬間燈泡閃亮一下才逐漸熄滅，使學(xué)生形成了這樣認(rèn)識(shí).實(shí)際此實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象是：燈泡會(huì)逐漸變暗并熄滅，并不一定閃亮一下才熄滅.

分析：實(shí)驗(yàn)電路如下圖1所示：

1.當(dāng)K斷開(kāi)的瞬間，A中原電流立即消失，但由于通過(guò)L的電流要減小，線圈中產(chǎn)生阻礙電流減小的與原電流同向的自感電動(dòng)勢(shì)，使其中電流減小的速度減慢.這時(shí)，雖然電源已切斷，但線圈L和燈泡A組成了閉合回路，自感電動(dòng)勢(shì)在這個(gè)回路中產(chǎn)生與原電流方向相同的自感電流通過(guò)燈泡A（此時(shí)A 中電流方向與原電流方向是相反的），因此燈泡不會(huì)立即熄滅，而是逐漸熄滅.

2.燈泡是否會(huì)閃亮后逐漸熄滅取決于電路穩(wěn)定時(shí)通過(guò)燈泡和線圈的電流IA和IL大?。↖A和IL分別為電路穩(wěn)定時(shí)燈泡和線圈中電流大小）.當(dāng)IL >IA時(shí)，斷電瞬間由線圈和燈泡組成的回路的電流就要從IL開(kāi)始減小，這樣燈泡會(huì)閃亮一下再逐漸熄滅；若IL =IA，則斷開(kāi)電路的瞬間，燈泡會(huì)逐漸熄滅.若IL < IA，電路斷開(kāi)時(shí)，燈泡會(huì)突然暗一下再逐漸熄滅.燈A“閃亮”的條件：

⑴當(dāng)線圈L的直流電阻為RL≥RA時(shí)，必有穩(wěn)定電流IL≤IA，故斷開(kāi)K的瞬間通過(guò)燈A的電流的大小為IL而較A的電流IA小，因而燈A將逐漸變暗到熄滅.

⑵當(dāng)線圈L的直流電阻為RL

說(shuō)明，上面所說(shuō)的斷開(kāi)K前IL >IA只是小燈光閃亮的一個(gè)必要條件，它是否閃亮還與線圈是否帶有鐵芯有關(guān).

誤區(qū)二：誤認(rèn)為K斷開(kāi)的瞬間電路中電流會(huì)大于IL .學(xué)生認(rèn)為K斷開(kāi)時(shí)線圈中的自感電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生與原來(lái)電流方向相同的電流，因此電路中的實(shí)際電流是二者之和，即大于IL .

分析：1.由楞次定律知，K閉合或斷開(kāi)的瞬間在線圈中產(chǎn)生的自感電動(dòng)勢(shì)，其作用是阻礙導(dǎo)體本身電流的變化。當(dāng)原來(lái)電流增大時(shí)，自感電動(dòng)勢(shì)與原來(lái)電流反向；當(dāng)原來(lái)電流減小時(shí)，自感電動(dòng)勢(shì)與原來(lái)電流同向.值得注意的是：“阻礙”并不是“阻止”，而是“延緩”.因此通電自感電動(dòng)勢(shì)不會(huì)超過(guò)電源的電動(dòng)勢(shì)，斷電自感電流的大小不會(huì)超過(guò)斷電前瞬間線圈中的電流的大小IL，這正是“阻礙”意義的真實(shí)體現(xiàn).因此斷開(kāi)K的瞬間，電路中最大電流是IL.

2. 從能量的角度分析：電路斷開(kāi)后線圈將原來(lái)儲(chǔ)存起來(lái)的能量（磁場(chǎng)能）通過(guò)自感而經(jīng)回路L、A釋放，故在K斷開(kāi)前、后的瞬間線圈的能量（磁場(chǎng)能）是相等的，而磁場(chǎng)是由電流產(chǎn)生的，因而K斷開(kāi)后瞬間線圈中的總電流強(qiáng)度與斷開(kāi)前的電流強(qiáng)度IL必相等.所以斷電自感中線圈中的電流將從斷開(kāi)前的電流強(qiáng)度IL開(kāi)始減小。那么開(kāi)關(guān)斷開(kāi)瞬間加于電燈L兩端的瞬間電壓為UA=ILRA.

誤區(qū)三：誤認(rèn)為斷開(kāi)K的瞬間自感電動(dòng)勢(shì)不會(huì)超過(guò)電源電動(dòng)勢(shì).

分析：根據(jù)E=L可知，自感電動(dòng)勢(shì)與電流變化率成正比，還與線圈本身有關(guān)，如線圈的大小，形狀，匝數(shù)，以及是否帶有鐵芯有關(guān)，而與電源電動(dòng)勢(shì)無(wú)直接關(guān)系，在斷電自感中自感電動(dòng)勢(shì)可以大于電源電動(dòng)勢(shì).如日光燈開(kāi)始工作時(shí)，在啟輝器斷電的瞬間，鎮(zhèn)流器產(chǎn)生一個(gè)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于220V的自感電動(dòng)勢(shì)，與電源電壓一起加在日光燈的兩端，使燈管內(nèi)氣體導(dǎo)通而發(fā)光.

編輯：謝穎麗

〔關(guān)鍵詞〕 物理教學(xué)；“斷電自感”實(shí)驗(yàn)；誤區(qū)

〔中圖分類號(hào)〕 G633.7 〔文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼〕 A

〔文章編號(hào)〕 1004—0463（2014）19—0119—01

斷電自感實(shí)驗(yàn)是高中物理重要的演示實(shí)驗(yàn)之一，也是電磁感應(yīng)部分高考的熱點(diǎn)之一.雖然教師在課堂上做了演示實(shí)驗(yàn)，又進(jìn)行了理論分析，學(xué)生還是對(duì)斷電自感的認(rèn)識(shí)存在一些問(wèn)題.下面，筆者結(jié)合教學(xué)實(shí)踐，談?wù)剶嚯娮愿袑?shí)驗(yàn)中學(xué)生認(rèn)識(shí)的幾個(gè)誤區(qū).

誤區(qū)一：誤認(rèn)為斷電自感實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象是燈泡一定閃亮一下才熄滅。存在這樣認(rèn)識(shí)的原因是教材中為了使實(shí)驗(yàn)效果更明顯，設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)是開(kāi)關(guān)斷開(kāi)的瞬間燈泡閃亮一下才逐漸熄滅，使學(xué)生形成了這樣認(rèn)識(shí).實(shí)際此實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象是：燈泡會(huì)逐漸變暗并熄滅，并不一定閃亮一下才熄滅.

分析：實(shí)驗(yàn)電路如下圖1所示：

1.當(dāng)K斷開(kāi)的瞬間，A中原電流立即消失，但由于通過(guò)L的電流要減小，線圈中產(chǎn)生阻礙電流減小的與原電流同向的自感電動(dòng)勢(shì)，使其中電流減小的速度減慢.這時(shí)，雖然電源已切斷，但線圈L和燈泡A組成了閉合回路，自感電動(dòng)勢(shì)在這個(gè)回路中產(chǎn)生與原電流方向相同的自感電流通過(guò)燈泡A（此時(shí)A 中電流方向與原電流方向是相反的），因此燈泡不會(huì)立即熄滅，而是逐漸熄滅.

2.燈泡是否會(huì)閃亮后逐漸熄滅取決于電路穩(wěn)定時(shí)通過(guò)燈泡和線圈的電流IA和IL大?。↖A和IL分別為電路穩(wěn)定時(shí)燈泡和線圈中電流大?。?當(dāng)IL >IA時(shí)，斷電瞬間由線圈和燈泡組成的回路的電流就要從IL開(kāi)始減小，這樣燈泡會(huì)閃亮一下再逐漸熄滅；若IL =IA，則斷開(kāi)電路的瞬間，燈泡會(huì)逐漸熄滅.若IL < IA，電路斷開(kāi)時(shí)，燈泡會(huì)突然暗一下再逐漸熄滅.燈A“閃亮”的條件：

⑴當(dāng)線圈L的直流電阻為RL≥RA時(shí)，必有穩(wěn)定電流IL≤IA，故斷開(kāi)K的瞬間通過(guò)燈A的電流的大小為IL而較A的電流IA小，因而燈A將逐漸變暗到熄滅.

⑵當(dāng)線圈L的直流電阻為RL

說(shuō)明，上面所說(shuō)的斷開(kāi)K前IL >IA只是小燈光閃亮的一個(gè)必要條件，它是否閃亮還與線圈是否帶有鐵芯有關(guān).

誤區(qū)二：誤認(rèn)為K斷開(kāi)的瞬間電路中電流會(huì)大于IL .學(xué)生認(rèn)為K斷開(kāi)時(shí)線圈中的自感電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生與原來(lái)電流方向相同的電流，因此電路中的實(shí)際電流是二者之和，即大于IL .

分析：1.由楞次定律知，K閉合或斷開(kāi)的瞬間在線圈中產(chǎn)生的自感電動(dòng)勢(shì)，其作用是阻礙導(dǎo)體本身電流的變化。當(dāng)原來(lái)電流增大時(shí)，自感電動(dòng)勢(shì)與原來(lái)電流反向；當(dāng)原來(lái)電流減小時(shí)，自感電動(dòng)勢(shì)與原來(lái)電流同向.值得注意的是：“阻礙”并不是“阻止”，而是“延緩”.因此通電自感電動(dòng)勢(shì)不會(huì)超過(guò)電源的電動(dòng)勢(shì)，斷電自感電流的大小不會(huì)超過(guò)斷電前瞬間線圈中的電流的大小IL，這正是“阻礙”意義的真實(shí)體現(xiàn).因此斷開(kāi)K的瞬間，電路中最大電流是IL.

2. 從能量的角度分析：電路斷開(kāi)后線圈將原來(lái)儲(chǔ)存起來(lái)的能量（磁場(chǎng)能）通過(guò)自感而經(jīng)回路L、A釋放，故在K斷開(kāi)前、后的瞬間線圈的能量（磁場(chǎng)能）是相等的，而磁場(chǎng)是由電流產(chǎn)生的，因而K斷開(kāi)后瞬間線圈中的總電流強(qiáng)度與斷開(kāi)前的電流強(qiáng)度IL必相等.所以斷電自感中線圈中的電流將從斷開(kāi)前的電流強(qiáng)度IL開(kāi)始減小。那么開(kāi)關(guān)斷開(kāi)瞬間加于電燈L兩端的瞬間電壓為UA=ILRA.

誤區(qū)三：誤認(rèn)為斷開(kāi)K的瞬間自感電動(dòng)勢(shì)不會(huì)超過(guò)電源電動(dòng)勢(shì).

分析：根據(jù)E=L可知，自感電動(dòng)勢(shì)與電流變化率成正比，還與線圈本身有關(guān)，如線圈的大小，形狀，匝數(shù)，以及是否帶有鐵芯有關(guān)，而與電源電動(dòng)勢(shì)無(wú)直接關(guān)系，在斷電自感中自感電動(dòng)勢(shì)可以大于電源電動(dòng)勢(shì).如日光燈開(kāi)始工作時(shí)，在啟輝器斷電的瞬間，鎮(zhèn)流器產(chǎn)生一個(gè)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于220V的自感電動(dòng)勢(shì)，與電源電壓一起加在日光燈的兩端，使燈管內(nèi)氣體導(dǎo)通而發(fā)光.

編輯：謝穎麗