對自感實(shí)驗(yàn)的進(jìn)一步探究

田 川 陳 怡 董 彥

(1. 重慶市第八中學(xué)校，重慶 400030； 2. 重慶市沙坪壩區(qū)教師進(jìn)修學(xué)院，重慶 400030)

1 對該實(shí)驗(yàn)的進(jìn)一步探究

共識1:如圖1所示,斷開開關(guān),握住M、N兩點(diǎn)的人會有觸電的感覺,設(shè)人體接入的電阻為R,那么斷電前一瞬間流過自感線圈的電流為I,則斷開開關(guān)的一瞬間,人就會感受到一個大小等于IR的電壓．I一定時,R越大,則感受到的瞬間電壓就越大．

圖1

問題1:這個電壓可以達(dá)到多大呢?將人換成一個大電阻,例如一段空氣縫隙,即將M、N兩點(diǎn)靠的很近但又不接觸．如圖2所示,空氣的電阻率可達(dá)1013Ω·m[1],取導(dǎo)線間距1 mm,正對橫截面積1 mm2,由電阻定律可知此小段空氣縫隙的電阻約為1016Ω．若斷開開關(guān)前,流過自感線圈的電流為0.1 A,那么斷開開關(guān)時,此空氣縫隙間的電壓可達(dá)1015V．空氣的擊穿場強(qiáng)為30000 V/cm[1],可知擊穿長度為1 mm的空氣縫隙電壓需要達(dá)到3000 V,由此可知,1015V的強(qiáng)大電壓擊穿這個空氣縫隙是綽綽有余的,所以,斷開開關(guān)時,應(yīng)該可以在M、N兩點(diǎn)間看到火花．

探究1:所需器材:舊式日光燈的鎮(zhèn)流器、電源、開關(guān)、導(dǎo)線若干．按圖2連線,閉合開關(guān),待穩(wěn)定后,斷開開關(guān),M、N兩點(diǎn)間縫隙處未見火花．再縮短空氣縫隙的間距,重復(fù)實(shí)驗(yàn),也未見火花．使導(dǎo)線的正對處更加尖銳,重復(fù)實(shí)驗(yàn)也未見火花．反復(fù)實(shí)驗(yàn),始終未見火花．

問題2:原因?yàn)楹?

圖3

探究2:再重復(fù)以上實(shí)驗(yàn),但是將觀察的位置由M、N兩點(diǎn)間縫隙改為開關(guān)處(為了使實(shí)驗(yàn)效果更易觀察用一根導(dǎo)線與鱷魚夾相接觸表示開關(guān)閉合,脫離表示開關(guān)斷開),實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),在導(dǎo)線與鱷魚夾脫離的瞬間總能看到放電火花,如圖3所示．

問題3:為什么在斷開開關(guān)的時候,總是在開關(guān)處看到火花,而不是在M、N兩點(diǎn)間縫隙處．

探討1:為什么火花是在開關(guān)處產(chǎn)生?這個現(xiàn)象背后的原因其實(shí)是一個“誰先更小”的問題．假設(shè)將M、N兩點(diǎn)間縫隙間距事先設(shè)定為0.1 mm,那么當(dāng)開關(guān)斷開時,開關(guān)的兩個金屬片脫離后的距離一定是從0開始增大的,在從0增大到0.1 mm的過程中,與M、N兩點(diǎn)縫隙間的空氣電阻相比,開關(guān)處的電阻更小,因此自感線圈會選擇電阻更小的回路放電．因此放電的位置是在率先獲得“更小電阻”的開關(guān)處,而不是M、N兩點(diǎn)間縫隙處．

共識2:如圖4所示,閉合開關(guān),燈L2延遲亮,燈L1立即亮．因?yàn)榛瑒幼冏杵鞑皇亲愿芯€圈．

圖4

問題4:仔細(xì)觀察滑動變阻器的構(gòu)造,可以發(fā)現(xiàn)纏繞的電阻絲其實(shí)是一根“彈簧”．如圖5所示,是拆取下來的變阻器的電阻絲(圖5中的彈簧圈)和一個完好的滑動變阻器的對比圖．筆者不禁要問,彈簧也是線圈呀!為什么沒有看到自感現(xiàn)象呢?是因?yàn)闆]有插入鐵芯致使自感系數(shù)小嗎?

探究3:取下彈簧狀的電阻絲,中間插入一根鐵芯．按圖4連線,閉合開關(guān),未見燈泡延遲亮．

問題5：是不是自感電動勢太小，導(dǎo)致現(xiàn)象不易察覺，可否考慮用更靈敏的器材加以檢驗(yàn).

探究4:所需器材:干電池、插有鐵芯的彈簧圈、保護(hù)電阻、電流傳感器(采集頻率選定為2000 Hz)、導(dǎo)線若干,如圖6所示．按圖7連線,閉合開關(guān),待穩(wěn)定后斷開開關(guān)．結(jié)果在電流傳感器中檢測到一個短暫的反向電流,持續(xù)時間約為2.5 ms,如圖8所示,由此說明滑動變阻器也是一個電感元件,只是由于自感系數(shù)較小,因此在實(shí)驗(yàn)的過程中將其視為一個理想的純電阻．

圖6

圖8

圖9

問題6:既然滑動變阻器也是自感元件,那么滑動變阻器對串聯(lián)的燈泡的延時效果究竟弱到什么樣的程度,以致于肉眼察覺不到這種延時呢?

探究5:所需器材:干電池、插有鐵芯的彈簧圈、變壓器副線圈、舊式日光燈的鎮(zhèn)流器、保護(hù)電阻、電流傳感器(采集頻率選定為2000 Hz)、導(dǎo)線若干,如圖9所示．

首先將插有鐵芯的彈簧圈、保護(hù)電阻、電流傳感器串聯(lián)接入電路,閉合開關(guān),得到電路中電流的躍升圖,局部放大后的輪廓如圖10所示,其中圖10(甲)顯示的是電流剛剛開始躍升時的情景,從圖中不難看出電流從1.39 s開始躍升,圖10(乙)顯示電流剛剛穩(wěn)定的時刻為1.40 s,由此可知,插有鐵芯的彈簧圈對電路中電流的躍升是有延時作用的,遲滯時間約為0.01 s．由于人眼的視覺暫留效應(yīng)因而看不到延遲現(xiàn)象．[2]

圖10

換用變壓器的副線圈和鎮(zhèn)流器重復(fù)以上實(shí)驗(yàn),可以看出明顯的遲滯作用,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖11所示．變壓器的副線圈可以使得電路經(jīng)0.05 s才達(dá)到穩(wěn)定,鎮(zhèn)流器可以使電路經(jīng)0.1 s后才逐漸達(dá)到穩(wěn)定．

圖11

通過實(shí)驗(yàn),可以看出,剛才那位學(xué)生提出的問題應(yīng)該這樣解釋:“嚴(yán)格地說,學(xué)生常用的滑動變阻器也是一個自感線圈,但是由于圈數(shù)不太多,又沒有插入鐵芯,所以自感現(xiàn)象極其不明顯,因此,在研究自感現(xiàn)象時常常將滑動變阻器視為純電阻”．如果教師能夠說出“通常學(xué)生使用的20 Ω規(guī)格的滑動變阻器對電路中電流的遲滯時間約為0.01 s”,那么提問的這個學(xué)生一定對教師的回答會很滿意．教師在課前充分的準(zhǔn)備換來的是提問學(xué)生由衷的欽佩,這樣對教與學(xué)的良性互動是極其有利的．

2 以上探究實(shí)驗(yàn)給實(shí)驗(yàn)教學(xué)帶來的啟示

以上探究實(shí)驗(yàn)表明,滑動變阻器的確是一個自感元件．因此教師在進(jìn)行圖4所示的實(shí)驗(yàn)時,如果有學(xué)生提出“滑動變阻器也有一圈圈電阻絲,為什么不考慮它帶來的影響”時．作為教師不能通過簡單的一句“它不是自感線圈”來應(yīng)付學(xué)生．

由此可見,教師深度研究自感實(shí)驗(yàn)中的一些細(xì)節(jié)問題是很有必要的．