電流傳感器探究式教學(xué)

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，傳感器被廣泛應(yīng)用，各地也在不斷建立數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室，在研究自感現(xiàn)象時(shí)，已不能局限于觀察小燈泡的亮度變化。通過電流傳感器在電路中的使用，我們可以清楚地觀察到，通過電阻或小燈泡的電流的大小和方向即時(shí)變化情況，從而可直觀地知道電感線圈在通電和斷電時(shí)在電路中所起的作用，清晰地觀察到電路中的電流變化情況，這就為學(xué)生加深對(duì)自感現(xiàn)象的理解提供了一種很好的途徑。

實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)備

自感現(xiàn)象演示實(shí)驗(yàn)在高中物理教學(xué)中是一個(gè)必做的重要演示實(shí)驗(yàn)，傳統(tǒng)的通電自感演示實(shí)驗(yàn)只能通過燈泡點(diǎn)亮的先后順序說明線圈產(chǎn)生的自感電動(dòng)勢能阻礙電流的增加；傳統(tǒng)的斷電自感演示實(shí)驗(yàn)，通過小燈泡的閃亮一下后熄滅說明線圈產(chǎn)生的自感電動(dòng)勢能阻礙電流的減小，但無法描述即時(shí)電流的大小變化和方向變化，雖然后來對(duì)演示裝置作了改進(jìn)，在電路中應(yīng)用了發(fā)光二極管，利用二極管的單向?qū)щ娦詠碚f明電流的方向，但仍無法確定即時(shí)電流的變化規(guī)律?；趥鞲衅鞯挠?jì)算機(jī)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和基于計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理軟件的計(jì)算機(jī)建模與圖象分析等技術(shù)研發(fā)成功，很好地解決了這個(gè)問題；同時(shí)，學(xué)校數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室的建立，為學(xué)生利用傳感器探究自感現(xiàn)象提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。

熟悉實(shí)驗(yàn)軟件的操作和使用 由于學(xué)生很少接觸數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室，對(duì)朗威數(shù)字化信息實(shí)驗(yàn)室（DISLab）實(shí)驗(yàn)軟件7.0版的認(rèn)識(shí)和實(shí)驗(yàn)操作界面知之甚少，因此，在實(shí)驗(yàn)前讓學(xué)生了解數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室及其熟悉實(shí)驗(yàn)軟件的操作和使用是確保實(shí)驗(yàn)成功的重要前提，對(duì)采集數(shù)據(jù)控制面板上數(shù)據(jù)傳送通道、顯示方式、采集控制、采樣頻率和圖線控制等的使用和選擇做到心中有數(shù)。

認(rèn)識(shí)到電流傳感器的作用 電流傳感器的作用相當(dāng)于一個(gè)電流表，但又不是電流表，它與電流表的一個(gè)重要區(qū)別在于，傳感器與計(jì)算機(jī)的結(jié)合能夠即時(shí)反映電流的迅速變化。如采用儀表顯示方式，就是一個(gè)電流表；如采用數(shù)字顯示方式，能直接得到瞬時(shí)電流值；如采用示波顯示方式，能在屏幕上顯示電流隨時(shí)間變化的圖象。本實(shí)驗(yàn)原理圖中電流傳感器就用電流表的符號(hào)表示，采用示波顯示方式，采樣頻率選擇200Hz。

探究通電線圈對(duì)電流的影響

實(shí)驗(yàn)操作 干電池兩節(jié)，變壓器（拆掉其中的一只線圈），定值電阻，電鍵，電流傳感器，導(dǎo)線若干。按圖一連接好電路，合上電鍵，觀察到如圖二電流-時(shí)間圖象；把圖一中的線圈換成電阻箱，按圖三連接好電路，合上電鍵，觀察到如圖四電流——時(shí)間圖象。

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象 沒有線圈的電路中，電鍵合上時(shí)，流過電路的電流立即增大；在接有線圈的電路中，電鍵合上時(shí)，流過電路的電流逐漸增大。

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象分析 通過對(duì)這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)得到的現(xiàn)象分析，得到通電線圈產(chǎn)生的自感電動(dòng)勢有阻礙電流變化的作用。

探究斷電自感現(xiàn)象

實(shí)驗(yàn)操作 干電池兩節(jié)，電感盒（演示燈泡用），小燈泡，電鍵，電流傳感器，導(dǎo)線若干。按圖五連接好電路，合上電鍵，待電流穩(wěn)定后，再斷開電鍵，觀察到如圖六電流-時(shí)間圖象。

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象 在電鍵合上時(shí)，流過小燈泡的電流立即增大后逐漸減小，電路穩(wěn)定時(shí)，流過小燈泡的電流較小，燈泡不亮，在電鍵斷開瞬間，通過小燈泡中的電流突然反向增大后又逐漸減小到零，觀察到小燈泡閃亮一下后熄滅。

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象分析 在電鍵斷開瞬間，燈泡與實(shí)際電源已斷開，燈泡閃亮一下后才熄滅，說明了線圈充當(dāng)了電源的角色，在流過線圈的電流從有到無變化時(shí)，線圈中產(chǎn)生了感應(yīng)電動(dòng)勢，阻礙電流的減小，把原來儲(chǔ)存的磁場能釋放出來，轉(zhuǎn)化為電能。

探究通電自感現(xiàn)象

實(shí)驗(yàn)操作 干電池四節(jié)，變壓器（拆掉其中的一只線圈），兩個(gè)規(guī)格相同小燈泡，電鍵，兩個(gè)電流傳感器（分別接入數(shù)據(jù)采集器通道1和通道2），電阻箱，導(dǎo)線若干按圖七連接好電路，合上電鍵，調(diào)節(jié)電阻箱的阻值，使流過兩燈泡的電流大小相等（或燈泡的亮度相同），斷開電鍵。合上電鍵，待電流穩(wěn)定后，再斷開電鍵。

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象 我們可以觀察到燈泡A1立即亮，燈泡A2慢慢亮，穩(wěn)定時(shí)兩燈泡的亮度相同，得到如圖八所示的電流和時(shí)間的圖象。

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象分析 在電鍵合上瞬間，燈泡A1中的電流立即增大，所以A1立即亮；燈泡A2中的電流為零，此時(shí)，線圈可等效成斷路。線圈的存在延緩了電流的增大，因此看到燈泡A2慢慢變亮，與燈泡A1間存在明顯的時(shí)間差，這在電流-時(shí)間圖象上也有明顯的體現(xiàn)。穩(wěn)定后，兩燈泡電流大小相等，此時(shí)線圈就等效為與電阻箱R阻值相同的電阻。電鍵斷開時(shí)，線圈等效成電源，與兩燈泡串聯(lián)構(gòu)成一個(gè)閉合回路，使線圈中的電流沿原方向從原穩(wěn)定值逐漸減小直至為零，因此通過燈泡A2的電流方向不變，慢慢減小，通過燈泡A1的電流方向改變，慢慢減小直至為零，通過圖象對(duì)比，兩燈泡中的電流大小保持相等同步逐漸減小。理解圖象中電流逐漸增大或減小的過程中圖線切線的斜率也在逐漸變小，因?yàn)閳D線的切線斜率就是電流的變化率，即，而自感電動(dòng)勢，正因?yàn)殡娏髯兓实臏p小使得自感電動(dòng)勢的逐漸減小，當(dāng)電流變化率為零時(shí)，自感電動(dòng)勢也減為零。

傳感器探究自感現(xiàn)象的優(yōu)點(diǎn)

在數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室利用傳感器探究通電自感和斷電自感，打破了傳統(tǒng)的自感教學(xué)方式，從原有的教師課堂演示轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)生小組探究，激發(fā)學(xué)生探究自感現(xiàn)象的興趣同時(shí)提高了學(xué)生的動(dòng)手能力；從原有的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象定性展示轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)據(jù)的定量實(shí)時(shí)展示，幫助學(xué)生獲得直接經(jīng)驗(yàn)，直接感知自感現(xiàn)象中的規(guī)律，有利于學(xué)生建立起完整的物理圖景；從原有的感性化的燈泡亮度變化轉(zhuǎn)變?yōu)楦呔鹊挠?jì)算機(jī)處理后的定量顯示，使自感規(guī)律的探究發(fā)現(xiàn)更具有嚴(yán)謹(jǐn)性和可信性，有利于學(xué)生理解自感現(xiàn)象的本質(zhì)。

（作者單位：江蘇省啟東中學(xué)）