自制多功能電路板
——基于自感現(xiàn)象基礎(chǔ)上的改進(jìn)實(shí)驗(yàn)

孫 莉 顧 蕓 鄒雅琴

(揚(yáng)州市第一中學(xué)，江蘇 揚(yáng)州 225000)

·物理實(shí)驗(yàn)·

自制多功能電路板
——基于自感現(xiàn)象基礎(chǔ)上的改進(jìn)實(shí)驗(yàn)

孫 莉 顧 蕓 鄒雅琴

(揚(yáng)州市第一中學(xué)，江蘇 揚(yáng)州 225000)

演示自感現(xiàn)象實(shí)驗(yàn)時(shí),廠家生產(chǎn)的演示器材有兩組回路,分別演示通電自感和斷電自感現(xiàn)象,而且利用傳感器直觀觀察電流變化不方便,留下一組線圈并結(jié)合高中電路實(shí)驗(yàn)板改制成多功能實(shí)驗(yàn)板,可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)實(shí)驗(yàn)的演示．

自感現(xiàn)象； 感抗； 容抗

1 原有實(shí)驗(yàn)器材使用的改進(jìn)

(1) 通電自感改進(jìn).

演示通電自感現(xiàn)象裝置電路如圖1(a)所示,通過(guò)對(duì)比兩個(gè)完全相同的燈泡在接通直流4V電源后變亮的時(shí)間不同,得出線圈在開(kāi)關(guān)接通瞬間自感現(xiàn)象產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)與電源所加電壓反向,阻礙電流增大,導(dǎo)致燈泡A2發(fā)光延時(shí)．為了形象地感知燈泡A2中電流的變化,在A處將導(dǎo)線斷開(kāi),串聯(lián)接入電流傳感器,再次接通開(kāi)關(guān),得到圖像如圖1(b),曲線變化的電流表明線圈的延時(shí)阻礙作用．

圖1

(2) 斷電自感改進(jìn).

利用圖1電路斷開(kāi)電源時(shí),燈泡A1并沒(méi)有什么特別變化,因此使用如圖2(a)所示電路,所用電源為1節(jié)干電池,由于線圈電流較大,斷開(kāi)電源瞬間,燈泡由原來(lái)較暗狀態(tài)忽然閃亮一下后熄滅,為了證明燈泡中閃亮?xí)r的電流是由線圈提供的,在B處斷開(kāi),串接上電流傳感器,得到圖像如圖2(b),第一個(gè)峰值是接通電路時(shí)形成的,斷電時(shí)電流反向但峰值卻比原來(lái)小,按道理不能出現(xiàn)燈泡閃亮的現(xiàn)象,分析原因可能是由于傳感器中有其他電器元件阻礙了電流．在B處接上1個(gè)二極管,接通開(kāi)關(guān)后燈泡不亮,斷開(kāi)開(kāi)關(guān)瞬間閃亮;若原來(lái)燈泡處于接通點(diǎn)亮狀態(tài),則斷開(kāi)時(shí)不能觀察燈泡閃亮現(xiàn)象．后來(lái)筆者又使用了示波器,將燈泡兩端的電壓輸入,斷開(kāi)開(kāi)關(guān)瞬間電壓變化如圖2(c)所示,反向電壓遠(yuǎn)高于原來(lái)電壓,所以能解釋所觀察到的明顯閃亮現(xiàn)象．

圖2

2 自制實(shí)驗(yàn)板的來(lái)由

使用上述實(shí)驗(yàn)器材過(guò)程中,用兩組線圈分別觀察,總讓人覺(jué)得一組線圈只有通電自感作用,而另一組只有斷電自感作用,并且當(dāng)連接其他器材時(shí),需要將線路斷開(kāi),非常麻煩．偶然有次在實(shí)驗(yàn)室中看到一種實(shí)驗(yàn)板,上面布滿插孔,學(xué)生可以利用導(dǎo)線自由連接電路,于是就產(chǎn)生了自己組裝的想法．

3 改進(jìn)過(guò)程及電路板的使用

嘗試了多個(gè)線圈后,通電自感現(xiàn)象均不明顯,所以就使用了原裝置中的第一組線圈,將實(shí)驗(yàn)板裁成兩個(gè)長(zhǎng)條安裝在木板上,將電源插孔和開(kāi)關(guān),電線連接固定,如圖3所示．

圖3

圖4

(1) 通電自感現(xiàn)象仍使用原來(lái)兩個(gè)相同小燈泡演示,觀察電流變化時(shí)只要將燈A2與線圈相連的導(dǎo)線拔下,兩端串接上電流傳感器的接頭即可．

(2) 斷電自感時(shí),將燈泡A1換成“220 V 3 W”的節(jié)能燈泡,這種燈泡內(nèi)本身就有線圈,所以斷電能夠看到明顯的閃亮現(xiàn)象,并且不用擔(dān)心會(huì)損壞．對(duì)比原來(lái)的燈泡A1,得出斷電時(shí)并不是一定會(huì)產(chǎn)生“閃亮一下”的現(xiàn)象．

(3) 在演示電容器、電感對(duì)直流、交流電路的阻礙時(shí),使用該裝置．電容與小燈泡串聯(lián),接入直流電壓6V,接通電路,可以看到與線圈串聯(lián)的燈泡發(fā)光,而與電容器串聯(lián)的燈泡不發(fā)光如圖5所示;換成交流電源6V時(shí),則可以看到與線圈串聯(lián)的燈泡不發(fā)光,而與電容器串聯(lián)的燈泡發(fā)光如圖6所示．從而可以得出電容器“隔直通交”、電感器“通直流、阻交流”的特點(diǎn)．

圖5

(4) 進(jìn)一步研究電容器的容抗與哪些因素有關(guān).可以控制電源一定，換用不同電容與燈泡串聯(lián),觀察燈泡的亮度變化,得出容抗與電容的關(guān)系;還可以使用同一電容,接通可變頻的信號(hào)發(fā)生器,觀察燈泡的亮度變化,得出容抗與頻率的關(guān)系,加深對(duì)容抗公式的理解．

(5) 同理研究感抗與哪些因素有關(guān)時(shí),也用控制變量的方法得出感抗與頻率、電感的定性關(guān)系．

4 實(shí)驗(yàn)中的偶然發(fā)現(xiàn)

在觀察電容器對(duì)直流電的作用時(shí),如果使用學(xué)生電源的直流電壓電源,適當(dāng)調(diào)高電壓,仍可以觀察到燈泡發(fā)光．原因是學(xué)生電源中的直流電源通過(guò)濾波產(chǎn)生,輸出的電源并不是穩(wěn)恒電壓,雖然方向不變,大小仍在變化,電容實(shí)際上在不停地充電放電,造成小燈泡上存在交變電流,當(dāng)電壓達(dá)到一定數(shù)值,燈泡上的電流達(dá)到一定極限,就可以觀察到燈泡發(fā)光了．

本文系江蘇省中小學(xué)教學(xué)研究第十一期課題“基于問(wèn)題的中學(xué)物理‘對(duì)話·體悟式教學(xué)研究與實(shí)踐’”(編號(hào)：2015JK11-L177)的階段性研究成果.

2016-08-01)