自制感抗影響因素演示儀

王 震，趙雨曦，丁永文

(遼寧師范大學(xué) 物理與電子技術(shù)學(xué)院，遼寧 大連 116029)

電感器對(duì)交變電流的作用，是人教版物理選擇性必修第2冊(cè)“交流電的描述”中的拓展內(nèi)容[1]，教材在此設(shè)計(jì)了2次實(shí)驗(yàn). 教材中的實(shí)驗(yàn)存在不足之處：

1)實(shí)驗(yàn)通過(guò)觀察燈泡的明暗變化得出感抗的概念，在實(shí)際演示過(guò)程中燈泡的明暗變化瞬間發(fā)生，學(xué)生視覺(jué)上不易察覺(jué)，增加了理解感抗概念的難度；

2)直接給出影響感抗大小的因素，知識(shí)的抽象程度高，學(xué)生不易理解.

為此，對(duì)實(shí)驗(yàn)電路進(jìn)行了改進(jìn)，自制了感抗影響因素演示儀，學(xué)生能夠更加直觀形象地觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，從而深入理解感抗的概念，同時(shí)利用實(shí)驗(yàn)探究得出影響感抗的因素，幫助學(xué)生真正地理解知識(shí)的來(lái)龍去脈.

1 演示儀的設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)器材：智能手機(jī)1部(安裝頻率發(fā)生器軟件)、12 V穩(wěn)壓直流電源、集成功率放大器(芯片型號(hào)LM324)、單刀雙擲開(kāi)關(guān)、電感(線圈匝數(shù)可調(diào))、揚(yáng)聲器、平板電腦.

演示儀實(shí)物圖如圖1所示，由單刀雙擲開(kāi)關(guān)控制2條支路，支路1由電源、功率放大器、開(kāi)關(guān)、導(dǎo)線和揚(yáng)聲器組成，支路2由電源、功率放大器、開(kāi)關(guān)、導(dǎo)線、電感和揚(yáng)聲器構(gòu)成.

圖1 演示儀實(shí)物圖

2 實(shí)驗(yàn)原理

實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)手機(jī)輸出不同頻率的音頻信號(hào)，然后經(jīng)過(guò)電感到達(dá)揚(yáng)聲器. 揚(yáng)聲器傳出的聲音響度不同，響度越小，表明對(duì)交變電流的阻礙越強(qiáng)，即感抗越大. 由于感抗大小不能直接測(cè)量，實(shí)驗(yàn)利用聲音響度間接判斷，聲音靠耳朵聽(tīng)不準(zhǔn)確，為了更細(xì)致地判斷感抗的變化，還可以用眼睛來(lái)觀察. 在使用揚(yáng)聲器播放聲音的同時(shí)利用智能終端平板電腦的音頻分析軟件，實(shí)現(xiàn)對(duì)聲音響度的實(shí)時(shí)測(cè)量，將聲音信號(hào)轉(zhuǎn)化為圖像，通過(guò)圖像的幅值觀察聲音響度的大小，增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)效果，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)響度變化的注意.

3 演示儀在教學(xué)中的應(yīng)用

3.1 理解感抗概念

演示儀接到交流電源上，用手機(jī)播放一段音樂(lè)，音樂(lè)經(jīng)過(guò)功率放大器放大，由揚(yáng)聲器播放，利用單刀雙擲開(kāi)關(guān)控制2條支路，支路1中音樂(lè)經(jīng)導(dǎo)線直接到揚(yáng)聲器，支路2中音樂(lè)先通過(guò)電感再到達(dá)揚(yáng)聲器. 分次連接2條支路，發(fā)現(xiàn)聲音的響度不同：接通電感時(shí)，聲音會(huì)大大減弱，這表明電感對(duì)交變電流有阻礙作用. 為了描述這種阻礙作用的大小，引入物理量“感抗”.

3.2 探究影響感抗的因素

手機(jī)音頻信號(hào)經(jīng)過(guò)電感到達(dá)揚(yáng)聲器進(jìn)行播放，揚(yáng)聲器傳出的聲音被平板電腦中的音頻分析軟件接收，聲音信號(hào)轉(zhuǎn)化為波形圖像. 圖像橫軸表示音頻信號(hào)的頻率，縱軸表示聲音的響度，縱軸的波形幅值越大，說(shuō)明響度越大，感抗越小.

3.2.1 探究交流頻率對(duì)感抗的影響

保持電感線圈為300匝、無(wú)鐵芯，即自感一定，手機(jī)頻率發(fā)生器分別輸出1，2，3 kHz頻率的信號(hào)，手機(jī)頻率發(fā)生器的頻率變化，聲音的響度也會(huì)變化. 每次改變信號(hào)頻率時(shí)，手機(jī)輸出聲音的響度必須相同. 為此，每次先接通支路1，調(diào)節(jié)手機(jī)輸出的聲音響度都為同一固定值，再接通支路2，輸入1 kHz的信號(hào)，平板電腦接收到聲音，出現(xiàn)波形幅值，保存波形，利用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)同步傳輸?shù)浇淌译娔X并在大屏幕上投影. 重復(fù)之前的操作，分別輸入2 kHz和3 kHz的信號(hào)，將3次波形圖像共同呈現(xiàn)在大屏幕上(圖2).

(a)1 kHz (b)2 kHz (c)3 kHz圖2 不同頻率交流信號(hào)的波形

學(xué)生對(duì)比圖2圖像，得出結(jié)論：當(dāng)線圈匝數(shù)和鐵芯一定時(shí)，交流電的頻率越高，響度越小，即感抗越大.

3.2.2 探究電感線圈匝數(shù)對(duì)感抗的影響

保持線圈無(wú)鐵芯并且用手機(jī)頻率發(fā)生器輸入1 kHz的交變信號(hào)，線圈匝數(shù)可以通過(guò)可插拔的導(dǎo)線進(jìn)行調(diào)節(jié)，分別為100,200,300匝，仔細(xì)聽(tīng)聲音響度的變化，同時(shí)觀察屏幕上的波形幅值(圖3). 上述探究可以得出結(jié)論：交流頻率固定時(shí)，線圈匝數(shù)越多，感抗越大.

(a)100匝 (b)200匝 (c)300匝 圖3 不同匝數(shù)線圈的信號(hào)波形

3.2.3 探究線圈鐵芯對(duì)感抗的影響

手機(jī)輸出1 kHz交變信號(hào)，線圈匝數(shù)100匝，插入和拔出鐵芯，觀察波形和聲音響度的變化(圖4). 學(xué)生得出結(jié)論：有鐵芯時(shí)，聲音響度減弱，說(shuō)明線圈自感越大，感抗越大.

(a)無(wú)鐵芯 (b)有鐵芯圖4 有無(wú)鐵芯的信號(hào)波形

對(duì)上述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和結(jié)果進(jìn)行歸納整理，可以得出結(jié)論：交流頻率越高,線圈自感越大，電感對(duì)交流電的阻礙越強(qiáng)，感抗越大.

3.2.4 感抗的應(yīng)用——扼流圈

扼流圈是電工和電子技術(shù)常用的元件，利用了電感器對(duì)交流的阻礙作用，分為高頻扼流圈和低頻扼流圈. 通過(guò)探究實(shí)驗(yàn)，學(xué)生很容易通過(guò)低頻扼流圈和高頻扼流圈的組成解釋其作用效果. 前者的線圈通常纏繞在鐵芯上，有較多匝數(shù)，因此自感大，產(chǎn)生的感抗對(duì)交變電流的阻礙作用大；后者一般無(wú)鐵芯，匝數(shù)少，因此自感小，感抗小. 扼流圈對(duì)低頻交變電流的阻礙作用微弱，但對(duì)高頻交變電流有較強(qiáng)的阻礙作用，引導(dǎo)學(xué)生得出結(jié)論：低頻扼流圈用來(lái)“通直流，阻交流”，高頻扼流圈用來(lái)“通直流，通低頻，阻高頻”.

4 結(jié)束語(yǔ)

利用演示儀進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生在探究中建構(gòu)感抗的概念，通過(guò)對(duì)比現(xiàn)象，自主發(fā)現(xiàn)自感和交流頻率等因素如何影響線圈的感抗，使抽象概念形象化、直觀化. 實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，由多感官的刺激幫助學(xué)生感知現(xiàn)象，獲得信息，整合并得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論，從而加深學(xué)生對(duì)物理現(xiàn)象和物理事實(shí)的理解[2]. 利用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)同步傳輸?shù)痊F(xiàn)代信息技術(shù)與電感作用教學(xué)融合，課堂教學(xué)氣氛活躍. 儀器中支路2的電感可以更換為電容器，利用該實(shí)驗(yàn)儀可以探究電容器對(duì)交變電流的作用，實(shí)現(xiàn)“一器多用”，充分利用了演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，有利于教師開(kāi)展探究性教學(xué)[3].