利用电压效应改进自感现象的演示实验，本文主要内容关键词为：电压论文,演示论文,效应论文,现象论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
高中物理教材和不少大学的《电磁学》教材中有关自感现象的演示实验都采用图1、图2所示的电路进行。笔者在多年的教学中感到，图2所示的电路不够理想，不足的地方主要有：1.实验不容易成功，只有当电感线圈的自感系数恰当而且直流电阻小于灯泡的工作电阻的情况下，效果才比较明显；2.感应电动势的大小不能定量显示，学生缺乏感性认识，显得抽象；3.感应电动势的方向不能通过实验说明。图1所示的电路能较好的说明线圈在电流增加时阻碍电流的增加，但分别用图1和图2所示两个电路来演示，会给学生造成图1所示的电路在断电时不会产生感应电动势，图2所示的电路在通电时不会产生感应电动势的错觉。
图1
图2
近年来，不少教师在有关的学术刊物上发表论文，介绍了各自对该实验的改进，但仍感不足。针对以上情况笔者在多年的教学实践基础上，对图2所示的演示实验的改进和如何用一个电路来演示自感现象做了一些比较系统的探索，现介绍如下。
一、基本思路
一是改变观测的物理量，变观测电流为观测电压（以前的演示实验实质上是靠电流的效应）；二是在改进电路上想办法，将图2所示的电路中的小灯泡换成电阻很大（趋于无穷大）但是在较高电压下能发光的非线性元件，同时考虑增加能指示电流方向的元件；三是在改进检测、显示仪器方面做文章，用有高灵敏度的并且能显示和保存数值或图像的仪器如数字万用表和数字示波器来检测和显示自感电动势；四是在保证安全的前提下，让学生体验一下自感电动势的存在，留下深刻难忘的印象。
二、具体做法
1.针对图2所示电路的不足，改用图3所示的电路演示自感电动势的大小和方向。其中“电源”用1.5V一号干电池2只、“氖泡”P[，1]、P[，2]用普通验电笔中的氖泡、“电感线圈”用普通40W日光灯的镇流器，二极管D[，1]、D[，2]用1N4007型整流二极管。在该电路中，当S闭合时，D[，1]、D[，2]所在的两条支路都无电流通过，氖泡内也无电流通过（氖泡内部的电极是断开的，只有两端加较高的电压时才能使内部的气体导电发光），不影响电感线圈中电磁能量的转化，在S断开时，D[，1]加反向电压截止，D[，2]加正向电压导通，由于电感线圈产生的自感电动势较大，可以使氖泡发光。因此能同时定性说明断电时自感电动势的大小和方向。
图3
2.让学生亲身感受自感电动势的存在及大小。从电感线圈的A、B两端分别引出导线，让几个学生手拉着手，一个学生用手捏住A端引出的导线，另一个学生用手捏住B端引出的导线，当合上开关时无触电的感觉，当开关S从闭合到断开时，学生有触电的感觉。给学生留下深刻印象。也为进一步讲解日光灯原理打下良好基础。
3.用数字万用表交流电压750V档测量图3所示电路中电感线圈A、B两端的交流电压，为了让全班学生都能看清，可用投影仪将读数及实验过程展现在屏幕上。笔者用UT54MULTIMETER型数字万用表交流电压750V档测量，当开关S断开时A、B两端的交流电压U约为：121V≤U≤664V。
4.用一个电路和数字示波器演示通电和断电时的自感现象。在图4所示的电路中，电源仍然用两只1.5V的干电池，R[，1]、R[，2]用电阻箱，电感线圈仍然用40W日光灯的镇流器。用TDS210型数字示波器测量电感线圈A、B两端的通电和断电时的自感电动势。该实验成功的关键是适当选取R[，1]、R[，2]的阻值和设置示波器，笔者在实验中取R[，1]=1900Ω、R[，2]=1000Ω，示波器的“动作”设定为“矢量”“持续时间”设定为“5秒”“方式”设定为“YT”；“秒/格”旋钮设定为“10ms/格”；“伏/格”旋钮设定为“2.00伏/格”；则在通电和断电时分别得到图5中a、b所示的波形。在波形图中可以明显看出通电和断电时电感线圈两端自感电动势的方向相反，通电时自感电动势的最大值为3V，断电时自感电动势的最大值为5.6V，因此通过图4所示的电路就能演示通电和断电时的自感现象。
图4
图5
三、对改进实验的几点说明
1.电感线圈自感电动势的大小ε是通过其两端的电压值U来反映的，根据全电路欧姆定律，
U=ε-ε（R[，L]/R+R[，L]）
当外电路的电阻R小时测出的U小，R越大，U越接近ε。另一方面，ε=Ldi/dt，式中di/dt和L、（R+R[，L]）有关系，在L和R[，L]一定的情况下R越大，电路的时间常数τ越小，di/dt越大，ε就越大。因此在图1、图2所示的电路中测出的U小，在图3所示的电路中测出的U大，要定量显示自感电动势的大小，最好用图3所示的电路。若用图4所示的电路，应该取R[，2]的值为10kΩ以上，R[，1]的值为10Ω左右。
2.因为RL串联电路的时间常数τ=L/（R+R[，L]），在线圈的自感系数L和直流电阻及R[，L]一定的情况下，τ和R有关，用图4所示的电路能很方便的调节外电路电阻值的大小，得到合适的波形。
3.普通40W日光灯镇流器的有关测量数据为：直流电阻值49.5Ω（用UT54MULTIMETER型数字万用表测量），自感系数1.400H（用QS18A型万能电桥测量）。
4.图3、图4所示电路中的电感线圈还可用J2425型变压器原理说明器的线圈中的800匝或1600匝线圈代替，有关测量数据为：800匝：直流电阻值14.4Ω、自感系数0.360H；1600匝：直流电阻值61.8Ω、自感系数1.35H（带铁芯、且铁芯闭合，测量仪器同上。）