利用DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)改進(jìn)高中物理自感演示實(shí)驗(yàn)

徐逸舟 周學(xué)新

摘 要：本文利用DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)高中物理中自感現(xiàn)象進(jìn)行了研究，改進(jìn)了原教材中自感實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)方法，得到了較為理想的自感圖像，提高了原實(shí)驗(yàn)的精度和趣味性。

關(guān)鍵詞：DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)；自感現(xiàn)象；自感實(shí)驗(yàn)圖像

1 前言

高中物理教材中，自感現(xiàn)象是按照下圖1來進(jìn)行演示的。

這個(gè)實(shí)驗(yàn)雖有易于演示，對(duì)比明顯的優(yōu)點(diǎn)，然而也存在如下缺點(diǎn)：

（1）實(shí)驗(yàn)觀察時(shí)間太短，憑感官容易產(chǎn)生錯(cuò)覺?！皵嚅_電路，此時(shí)可以看到燈A1要過一會(huì)兒才熄滅”，如果教師不提醒學(xué)生專注觀察兩燈泡亮度變化，學(xué)生很容易錯(cuò)過觀察。

（2）不能顯示自感電動(dòng)勢(shì)（或感應(yīng)電流）的方向，也不能直觀顯示自感電動(dòng)勢(shì)（或感應(yīng)電流）的大小。了解感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生方向和變化規(guī)律對(duì)于解決如整流器產(chǎn)生瞬間高電壓等實(shí)際問題有很大的幫助。所以學(xué)生有必要更詳細(xì)直觀的了解自感現(xiàn)象產(chǎn)生過程中感應(yīng)電流方向和感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)隨時(shí)間變化的規(guī)律，即實(shí)驗(yàn)的本質(zhì)。

2 利用DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)高中物理自感演示實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)

2.1 改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置

為了得到更好的實(shí)驗(yàn)圖像，改變實(shí)驗(yàn)原理如下圖2。

采用兩只完全相同的電阻R1、R2，通過R1、R2電流的變化與R1、R2兩端電壓U1、U2的變化成正比，作出“電壓-時(shí)間”圖象進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)實(shí)物電路連接如圖3所示。

2.2 改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)步驟

（1）將學(xué)生電源的正負(fù)極分別接到“朗威DISLab”自感現(xiàn)象實(shí)驗(yàn)板的電源輸入端，將學(xué)生電源電壓調(diào)節(jié)到6V。將兩個(gè)“朗威DISLab”電壓傳感器的正負(fù)極分別接到“朗威DISLab”自感現(xiàn)象實(shí)驗(yàn)板的R1和R2兩端。

（2）檢查所有線路連接是否正確，確認(rèn)無誤后打開學(xué)生電源和“朗威DISLab”數(shù)據(jù)采集器的電源。

（3）打開電腦桌面上“朗威DISLab”的通用擴(kuò)展軟件，看看是否接收到了兩個(gè)“朗威DISLab”電壓傳感器的電壓信號(hào)。

（4）進(jìn)入繪圖模式，添加兩條函數(shù)關(guān)系，第一個(gè)是R1所在的“朗威DISLab”電壓傳感器和時(shí)間t的關(guān)系圖，用紅色表示；第二個(gè)是R2所在的“朗威DISLab”電壓傳感器和時(shí)間t的關(guān)系圖，用籃色表示。

最后試著斷開和閉合開關(guān)K，觀察圖像，調(diào)節(jié)x和y軸的量程，使效果圖最明顯。

2.3 改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及數(shù)據(jù)分析

2.3.1 改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

按照上述操作步驟，先閉合開關(guān)K，然后再斷開，接著按停止鍵。重復(fù)多次，取現(xiàn)象最明顯的圖像。得到圖4、圖5兩幅圖象

2.3.2 數(shù)據(jù)分析

（1）閉合電路瞬間，R1兩端電壓瞬間達(dá)到最大值，而R2兩端電壓逐漸增大至最大值，兩個(gè)最大值相同。符合實(shí)驗(yàn)預(yù)期。

（2）斷開電路瞬間，R1兩端電壓由正值變成負(fù)值，且其最大值的絕對(duì)值比原來小。如圖5電路中電流減小，穿過線圈的磁通量也減小，電路中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)阻礙線圈電流的減小，通過R1的電流與原電流反向，R1兩端電壓由正值變成負(fù)值。

（3）R1、R2處于串聯(lián)狀態(tài)，而它們的電阻相等，所以R1、R2兩端電壓相等，電壓圖象中圖形的對(duì)稱。

（4）斷開電路以后，R1兩端電壓，R2兩端電壓從數(shù)值上均逐漸減小至零。

2.3.3 改進(jìn)后實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)

與原實(shí)驗(yàn)比較有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

（1）DIS實(shí)驗(yàn)較好的展示了在電路閉合和斷開的瞬間自感現(xiàn)象所造成的電學(xué)量變化的具體過程。

（2）實(shí)驗(yàn)的觀察無須收到受到觀察者主觀因素的限制，實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象具有可記錄性。

（3）能較直觀地顯示感應(yīng)電流、感應(yīng)電壓的大小和方向。這是采用書本實(shí)驗(yàn)方法無法體現(xiàn)的。

3 結(jié)語

利用“朗威DISLab”的自感現(xiàn)象實(shí)驗(yàn)板、電壓傳感器等傳感器對(duì)自感現(xiàn)象進(jìn)行定量研究，改變了教材單一定性實(shí)驗(yàn)的缺點(diǎn)，為學(xué)生進(jìn)一步深入研究電磁現(xiàn)象提供了前所未有的工具和條件。這也給一線教師提出了變革研究工具的要求。

參考文獻(xiàn)

[1]韓海波.利用DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)改進(jìn)自感演示實(shí)驗(yàn)[J].物理通報(bào)，2011，40（10）：66-67.

[2]呼格吉樂.改進(jìn)DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中彈簧振子的振動(dòng)圖像實(shí)驗(yàn)[J].物理實(shí)驗(yàn)，2010，（5）：25-26.

（作者單位：浙江省長(zhǎng)興中學(xué)）