浅谈自感演示实验的成功与失败

王立刚 王军玲

摘 要 自感演示实验难做，且学生对实验现象的理解存在误区。通过对教材实验的改进，有效地消除了学生的错误观念，进一步加深了对自感现象的理解。

关键词 通电自感；断电自感；实验

中图分类号：G424.31 文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2016）07-0155-02

在教学中，自感演示实验难做，且学生对实验现象的理解存在误区。研究发现，问题出在开关上，即现在实验中使用的自感演示仪上的开关不能实现迅速通断，如果不用原开关，而是将鳄鱼夹与连接开关的接线柱接触或断开，效果将非常明显。尽管如此，学生对自感的理解还是很浅的，通过问卷发现，学生只是记住了实验现象，没有真正理解。特别是学生将通电自感和断电自感现象独立起来，认为通电自感和断电自感分别只有在通电和断电时才能产生自感现象。经过分析，原因包括：1）由于知识的限制，对电路中电流变化的具体情况不了解，影响了学生对实验现象本质的理解，只记住实验表面现象，不了解产生现象的条件；2）现行教材采用的演示实验有明显不足，教材中将通电自感和断电自感两电路分开，容易给学生造成错误的认识。

1 提出解决办法，通过改进实验，使学生目标明确

1）电路中产生的电磁感应现象是线圈的作用而不是其他元件的作用。

2）将通电自感与断电自感在一个电路中演示，消除学生原来产生的错误认识。

在图1电路中，将S打至1，发现灵敏电流计慢慢发生偏转；将S打至2，灵敏电流计慢慢减小到 0。而将L换成电阻R，没有上述现象。这说明产生电磁感应的原因是线圈L的作用。

图2电路是将通电自感和断电自感合为一个电路，D为一个发光二极管，如果没有D，由于支路RA2阻值较大，用来演示断电自感效果不明显。为了解决这一问题，在这一支路两端并联一个发光二极管D，这样在通电时二极管不导通，与课本中的通电自感电路相同。断开S，支路RA2阻值较大，A2几乎立即熄灭，而发光二极管的额定电流较小，因此可观察到D亮了一下然后熄灭。这样就证明了通电和断电时L中都有自感现象发生。

2 对自感现象演示实验演示电路的改进

人教版高中物理教材所采用的自感演示实验电路图当闭合开关时，学生可清楚地见到灯A2瞬间变亮，而灯A1 则比A2稍晚，很明显在接通电源这一瞬间，线圈中有自感电流产生，自感电流阻碍A2中电流的增大。而演示断电时的自感现象的电路图，先闭合开关让灯泡处于正常发光的状态，然后断开开关的瞬间，学生可清楚地见到灯泡闪亮一下才熄灭，利用灯泡在开关断开后闪亮熄灭这一过程，可以说明由电感线圈和灯泡组成的回路中在断开电源之后确实还有电流通过灯泡。多年的教学经验表明，不少学生对自感现象的理解还存在一些误区，具体表现包括：1）断电瞬间，灯泡必定会有一个闪亮的过程；2）断电瞬间，通过线圈的电流必定会有一个突然增大的过程；3）闭合、断开开关的速度影响线圈的自感电动势的大小，越快时自感电动势越大；4）断电过程中，线圈的自感电动势一定很大，且能超过电源电动势。

就此进行分析：对于演示断电自感的实验电路图，实验过程中的现象是在电源断开瞬间，灯泡突然闪亮一下，学生对此的印象是很深刻的，虽然物理现象很明显，但这不是实验的本质，纵使灯泡没有突然闪亮一下，也依然存在自感现象，灯泡的突然闪亮不是自感现象必备的条件。事实上，在断开开关的瞬间，原先电路稳定时通过灯泡的电流突变为零，断电瞬间通过灯泡的电流为稳态时通过自感线圈的电流I0。所以从理论上讲，只有当I0大于I，即R0小于R的情况下才能出现灯泡闪亮的现象；在R0大于或等于R情况下，灯泡不会发生闪亮的现象。由于该实验的不足，导致学生看到的物理现象并不是自感现象的本质特征。

3 前述错误是教材中设计的演示实验不完善造成的

1）教材中采用两个独立的电路图来分别演示通电自感和断电自感，事实上这两个电路中的每一个电路无论是通电还是断电，都会发生自感现象。这种演示方法人为地把两个密切联系的现象给孤立起来，会使学生形成一个电路只出现一种自感现象的错觉，不能准确地表现科学事实。

2）教材中断电自感实验中灯泡的闪亮是由于电路的设计存在明显不足。学生只能看到灯泡闪亮一下，不能体验断电后自感电流逐渐减小的过程，而这个实验的目的是让学生看出由于自感电动势的存在，断电后电路中的电流不是立即消失，而是逐渐减小最后消失的过程。此外，灯泡的闪亮还会使学生头脑中形成断电自感电动势的作用是使电路中电流增大了一下的错误印象。

实际上，自感的本质是当通过线圈的电流发生变化时，据楞次定律，线圈中会产生自感电动势，阻碍原电流的变化。也就是说，电流的变化总需要一个过程，不可能瞬时发生。因此，演示实验必须突出自感的本质特征。

4 确定的自感演示实验改进思路

在一个电路中演示通电自感和断电自感且尽量简化实验电路；自感现象只是使电流的变化延缓，突出线圈中的电流不能突变。

笔者曾设计图3所示电路来引入和建立自感概念，特点是可以直接显示电路中电流的变化。其中S为一特制的鳄鱼夹开关，它可以在断开0和1的同时接通0和2。在实验中学生可以观察到这样的现象：当S与电源接通时，电流表的指针缓慢发生偏转，并且越来越慢，直到达到稳定值；紧接着S与电源断开而与2接通时，电流由稳定值开始缓慢减小，并且越接近零指针偏转越慢。当用纯电阻取代电感线圈以后，电流表指针的偏转是迅速而干脆的。实验的现象是很明显的，在事实面前，学生就可以接受纯电阻电路的电流可以突变，而通过电感线圈的电流不能突变的结论。在此基础上引导学生思考线圈电流为什么不能突变，自感的概念就可以顺利引入。这个电路的优点是只有一个回路，器材简单，所显示的现象单纯而明显，并且突出了自感现象的本质特征，即只能使线圈中的电流变化延缓，不能使电流发生突变。

上述实验的改进，消除了学生的错误观念，加深了对自感现象的理解。

参考文献

[1]梁灿彬，秦光戎，梁竹健.电磁学[M].北京：人民教育出版社，1980.