自感實(shí)驗(yàn)中電流異?，F(xiàn)象分析

陳錦蕓 張軍朋

(華南師范大學(xué)物理與電信工程學(xué)院,廣東 廣州 510006)

人教版《普通高中物理實(shí)驗(yàn)教科書》對(duì)自感現(xiàn)象的教學(xué)思路基本如下:先演示通斷電自感現(xiàn)象后引導(dǎo)學(xué)生觀察現(xiàn)象并對(duì)其原理進(jìn)行解釋．[1]學(xué)生從燈泡亮度的變化情況理解自感的作用,這樣的設(shè)計(jì)易于學(xué)生接受．同時(shí)為了響應(yīng)新課標(biāo)提出重視信息技術(shù)在物理教學(xué)中運(yùn)用的觀點(diǎn),教材在“做一做”欄目中使用電流傳感器演示自感對(duì)電路中電流的影響;并在文中明確指出,不一定需要使用燈泡對(duì)比對(duì)象,也可以使用電阻作為實(shí)驗(yàn)的儀器．有些學(xué)生對(duì)此便會(huì)產(chǎn)生疑問(wèn),如果將燈泡作為實(shí)驗(yàn)儀器,使用傳感器演示自感對(duì)電路中電流的影響,又會(huì)有什么特別之處呢?

物理是一門實(shí)驗(yàn)、求真的學(xué)科,物理教學(xué)要保護(hù)、支持學(xué)生對(duì)未知知識(shí)的求知探究精神,因此本文將針對(duì)使用小燈泡在自感實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的異常現(xiàn)象進(jìn)行詳細(xì)分析并淺談幾點(diǎn)思考．

1 基于DISlab的演示實(shí)驗(yàn)

使用DISlab傳感器套件中的電流傳感器進(jìn)行實(shí)驗(yàn),按照?qǐng)D1電路圖連接,分別接在兩個(gè)規(guī)格相同的燈泡A1和A2后面,傳感器的采集頻率為20 Hz．閉合開(kāi)關(guān),可以在計(jì)算機(jī)通用軟件界面觀察到流經(jīng)兩個(gè)支路燈泡的電流變化圖像,若流經(jīng)燈泡的電流為正時(shí),電流曲線位于橫軸上方,反之則電流曲線位于橫軸下方．為了使傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)效果與DISlab實(shí)驗(yàn)效果同時(shí)呈現(xiàn),可以事先調(diào)節(jié)電阻箱使兩燈泡在通電時(shí)亮度大致相同．按照上述操作所得實(shí)驗(yàn)圖像,如圖2所示．(電阻支路為電流傳感器1的圖像,電感支路為電流傳感器2的圖像,下同)

圖1

圖2

經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試,將出現(xiàn)以下兩種不同的異?，F(xiàn)象: (1) 電流的圖像在電阻支路與電感支路均出現(xiàn)峰值,如圖3(a)所示;(2) 電流的圖像在電阻支路出現(xiàn)尖峰,在電感支路沒(méi)有出現(xiàn)尖峰,如圖3(b)所示．

可以從圖像中觀察到,通電瞬間,流經(jīng)燈泡A1的電流先到達(dá)一個(gè)最高值后再回到一個(gè)穩(wěn)定值,即電流圖像出現(xiàn)一個(gè)“尖峰”．而流經(jīng)燈泡A2的電流則有時(shí)會(huì)出現(xiàn)“尖峰”,有時(shí)則不會(huì)出現(xiàn)．若按照電路圖1,將小燈泡均換成電阻,則不會(huì)出現(xiàn)上述情況．[2]故筆者猜測(cè)電流峰值的出現(xiàn)可能與燈泡的電阻隨溫度的變化而變化有關(guān),那其背后有著如何的規(guī)律,筆者針對(duì)上述猜想進(jìn)行了下述實(shí)驗(yàn)．

(a) 規(guī)格為4.8 V、0.5 A小燈泡的I-t圖像

(b) 規(guī)格為3.8 V、0.3 A小燈泡的I-t圖像

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及結(jié)果分析

2.1 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證上述猜想,筆者選擇形狀相同不同規(guī)格的6種燈泡,在相同的電源6.2 V,電阻支路滑動(dòng)變阻器的阻值為19.2 Ω的條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)．在原本的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上,分別在燈泡的兩端再增加兩個(gè)電壓傳感器,實(shí)際測(cè)出燈泡電壓的變化,方便得出電流變化過(guò)程中,小燈泡電阻的變化．以規(guī)格為4.8 V、0.5 A的小燈泡為主的燈泡在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,電阻支路與電感支路的電流圖像均出現(xiàn)“尖峰”,如圖4(a)所示;整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,小燈泡電阻的變化情況如圖4(b)所示．(圖中電阻支路為燈泡A1電阻隨時(shí)間變化圖像,電感支路為燈泡A2電阻隨時(shí)間變化圖像)

圖4

從圖中可以觀察到:電阻支路的電流穩(wěn)定時(shí)間為0.75 s,燈泡A1電阻變化穩(wěn)定的時(shí)間為0.75 s;在閉合開(kāi)關(guān)后,燈泡的阻值較小隨后逐漸增大并穩(wěn)定在某個(gè)阻值．電感支路電流穩(wěn)定時(shí)間為1.35 s,燈泡A2電阻穩(wěn)定的時(shí)間為1.50 s;燈泡電阻穩(wěn)定的時(shí)間明顯長(zhǎng)于電流穩(wěn)定的時(shí)間．因此筆者猜測(cè)電流圖像出現(xiàn)峰值的情況與電阻穩(wěn)定的時(shí)間有關(guān)．為更好地驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)猜想,對(duì)其它規(guī)格的小燈泡也采用相同的做法,具體的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示.

表1 各規(guī)格燈泡電流、電阻變化穩(wěn)定時(shí)間表

2.2 結(jié)果分析

(1) 電阻支路.

從上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中可得:對(duì)于電阻支路,電流穩(wěn)定時(shí)間與燈泡A1電阻穩(wěn)定的時(shí)間相同,即當(dāng)燈泡電阻穩(wěn)定時(shí),電流也趨于穩(wěn)定的狀態(tài)．根據(jù)對(duì)燈泡伏安特性曲線實(shí)驗(yàn)的理解,以及燈泡的R-t圖像可知電流圖像出現(xiàn)峰值的原因在于:通電瞬間,燈泡的溫度來(lái)不及升高導(dǎo)致其處于低阻狀態(tài),且滑動(dòng)變阻器對(duì)電流的阻礙作用較小,因此通過(guò)該支路的電流會(huì)瞬間達(dá)到一個(gè)最大值．隨著燈泡溫度的升高,其阻值也隨之升高,在支路電壓一定的情況下,電流隨著燈泡阻值的增加而減小,最后趨于穩(wěn)定的狀態(tài),故電流出現(xiàn)會(huì)出現(xiàn)一個(gè)“尖峰”．

(2) 電感支路.

在電感支路中電流穩(wěn)定的時(shí)間T1與燈泡A2阻值穩(wěn)定的時(shí)間T2之間出現(xiàn)兩種情況．若T1

圖5

由圖像可知,對(duì)于電感支路,3.8 V、0.3 A規(guī)格的燈泡電壓穩(wěn)定時(shí)間與電阻穩(wěn)定時(shí)間相同,均為0.70 s,電感支路的電壓未出現(xiàn)峰值;對(duì)于規(guī)格為4.8 V、0.5 A的燈泡而言,電阻穩(wěn)定的時(shí)間為1.60 s,電壓穩(wěn)定的時(shí)間為1.55 s,且電感支路的電壓出現(xiàn)峰值．可見(jiàn),對(duì)于規(guī)格為3.8 V,0.3 A的燈泡而言,雖然T1

2.3 實(shí)驗(yàn)再分析

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果,結(jié)合文獻(xiàn)[3]中對(duì)燈泡伏安特性曲線性質(zhì)的分析:假設(shè)使用燈泡進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí),當(dāng)各支路對(duì)電流的阻礙作用較大導(dǎo)致電流緩慢增加,此刻燈泡溫度的變化較不明顯．若電流增加的速度足夠慢時(shí),燈泡每一個(gè)狀態(tài)都可以近似達(dá)到動(dòng)態(tài)熱平衡,此時(shí)溫度不再是時(shí)間的函數(shù),而只與電流有關(guān),即電阻的變化與電流的變化保持一致,電流圖像將不會(huì)出現(xiàn)“尖峰”．

為驗(yàn)證上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果,在原來(lái)的實(shí)驗(yàn)電路中,將電阻支路的滑動(dòng)變阻器從原來(lái)的19.2 Ω增大為37.5 Ω,對(duì)比兩種不同情況下電阻支路電流的變化情況．如圖6(a)所示．同時(shí)在電感支路中再串聯(lián)一個(gè)電阻,使支路電阻由原來(lái)的10.08 Ω變?yōu)?5.78 Ω,對(duì)比前后電流的變化情況,如圖6(b)所示．

(a) 規(guī)格為3.8 V、0.3 A小燈泡的I-t圖像

(b) 規(guī)格為6.0 V、0.5 A小燈泡的I-t圖像

從圖5中可知,在電路中增加電阻時(shí),可使電流變化較為緩慢,此時(shí)在通電瞬間,電流圖像的“尖峰”變小了或不再出現(xiàn)“尖峰”．

3 結(jié)束語(yǔ)

將現(xiàn)代信息技術(shù)應(yīng)用到中學(xué)實(shí)驗(yàn)是一種教學(xué)趨勢(shì),為實(shí)驗(yàn)探索與研究帶來(lái)很多方面的便利,也讓實(shí)驗(yàn)的質(zhì)量得到大大的提高．在實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)一些與之前理論或者是預(yù)測(cè)中有些差異的地方,筆者認(rèn)為在學(xué)有余力的情況下,帶領(lǐng)學(xué)生去猜想并認(rèn)識(shí)特殊現(xiàn)象后面的本質(zhì)是非常重要的．通過(guò)上述幾組實(shí)驗(yàn),可以明確得知,通電過(guò)程中,自感電路中電流出現(xiàn)的異?，F(xiàn)象與燈泡受溫度變化而阻值發(fā)生一定變化的關(guān)系相關(guān)．實(shí)際演示過(guò)程中,設(shè)置好電路中的電阻或選擇恰當(dāng)?shù)臒襞菔强梢詼p緩甚至避免異常現(xiàn)象的產(chǎn)生．

實(shí)驗(yàn)探究過(guò)程中雖然簡(jiǎn)單,但也花費(fèi)了筆者大量的時(shí)間設(shè)計(jì)電路．雖然實(shí)驗(yàn)過(guò)程中還有未能真正解決的問(wèn)題,但這也是一個(gè)挑戰(zhàn),一個(gè)新的探究方向．作為教師,在教學(xué)過(guò)程中,只能作為學(xué)生探究學(xué)習(xí)的促進(jìn)者與幫助者,雖然學(xué)生在探究過(guò)程中仍會(huì)遇到很多無(wú)法預(yù)料的問(wèn)題,但是可以在該過(guò)程獲得很多僅灌輸教學(xué)所學(xué)不到的東西與方法．學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題,思考問(wèn)題,解決問(wèn)題,在探究中可以獲得更多的喜悅,幫助學(xué)生更熱愛(ài)這門學(xué)科．也希望廣大教師可以在適當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)給予學(xué)生探究體驗(yàn)的機(jī)會(huì),讓學(xué)生更愛(ài)學(xué)習(xí)物理,更愛(ài)物理的這門學(xué)科．