利用DIS实验研究交流电相差问题

王维国

(江苏省海安高级中学，江苏　海安　226600)



利用DIS实验研究交流电相差问题

王维国

(江苏省海安高级中学，江苏海安226600)

数字化信息系统实验室(DISLab)作为一种革命性的实验教学工具，经过十几年的发展，技术上已日渐成熟，但在用DISLab整合传统实验资源和进行实验创新方面还需进一步研究.本文先通过理论分析纠正一个交流电问题的错误认识，再利用DISLab从实验的角度进行探究.

DISLab；交流电；相差

数字化信息系统实验室(DISLab)包括数据采集器、多种教学专用传感器及配套使用的通用和专用软件.DISLab将传感器和计算机组成多功能的测量系统，能快速、高精度地实时采集数据，自动记录和分析处理数据，并以图表或图像的形式显示出来.利用DISLab能对多种物理量进行实时测量，实现了中学物理实验手段的革命，为实验研究和创新提供了技术支持.在交流电实验中，传统的单踪示波器不能同时显示电流、电压的变化情况，而DISLab在这方面有明显的优势，本文尝试用DISLab来研究交流电相差问题.

1　问题的提出

图1

很多教辅资料收录了一道经典的电磁学试题，它是1997年上海市高考的第8题，其答案值得商榷.题目如下：如图1所示，一金属直杆MN两端接有导线，悬挂于线圈上方，MN与线圈轴线均处于竖直平面内，为使MN垂直纸面向外运动，可以().

A． 将a、c端接在电源正极，b、d端接在电源负极

B． 将b、d端接在电源正极，a、c端接在电源负极

C． 将a、d端接在电源正极，b、c端接在电源负极

D． 将a、c端接在交流电源的一极，b、d端接在交流电源的另一极

命题者提供的参考答案是A、B、D.该题的命题思路是考查安培定则和左手定则，根据线圈中的电流方向，用安培定则确定线圈周围的磁场方向，然后用左手定则判断金属直杆所受的安培力方向.用上述方法易得选项A正确；选项B中的直杆电流和线圈磁场方向均与选项A中的相反，所以安培力方向也向外；选项C中的直杆电流与选项A中的相同，而线圈磁场反向，所以安培力方向向里；选项D中接的是交流电，命题者认为在交流电的正半周期，情况与选项A相同，而在交流电的负半周期，则与选项B的情况相同，所以受到的安培力方向也一直向外.

命题者在选项D中设置交流电问题的本意是考查学生思维灵活变通的能力，从这个意义上看该题不失为一道好题.但由于忽视了交流电与直流电的差异，没有考虑到线圈中电压与电流的相位差，在科学性上不够严谨.

2　理论分析

在交流电路中，除电阻外，电容和电感对交流电也有阻碍作用.上题中线圈接在交流电源上时，因为自身的电流发生变化，所以在线圈中要产生自感电动势，使电流不能随电压同步变化.线圈的感抗为XL=2πfL=ωL，其中L为线圈的自感系数，f为交流电的频率.

图2

3　实验研究

该题中线圈和金属杆均接在同一交流电源上时，杆所受的安培力方向的理论分析是否正确，经实验的检验后，才具有说服力.

3.1实验设计

因为金属杆MN受到的安培力很小，不易直接测量，所以采用间接测量的方法.线圈产生磁场的磁感应强度与线圈中的电流I同相位，金属杆中的电流与电源电压U同相位，所以通过观察U、I相位的变化，就能判断杆所受的安培力方向的变化.

3.2实验步骤

(1) 如图3所示，将电流传感器与线圈串联后接在交流电源两端，将金属杆MN与一保护电阻串联也接在交流电源两端，用电压传感器测量电源两端的电压.实物图如图4所示.将电压传感器和电流传感器分别接入数据采集器的第一、二通道.

(2) 点击“调零”，打开“组合图线”，添加“电压-时间”图线，将采样频率设置为“1k”，图线颜色设置为蓝色.打开“组合图线”，添加“电流-时间”图线，将采样频率设置为“1k”，图线颜色设置为红色.闭合电源开关后，点击“开始”，几秒后点击“停止”.

(3) 通过“x平移”、“x缩放”、“y平移”、“y缩放”调整记录的U-t和I-t图像的大小，根U、I的峰值对应的时刻确定U、I的相差.

(4) 改变交流电源电压值，重复实验.

3.3实验结论

从图5所示的U-t和I-t图像可知，线圈中的电流与电压有明显的相差.图中时间轴的最小刻度为0.005s，可读出线圈中的电流的相位落后于电压为0.40π，即线圈周围产生磁场的磁感应强度的相位落后于金属杆中电流为0.40π.图中若规定U>0、I>0时金属杆受的安培力为正方向，则U<0、I<0时安培力为正方向，U>0、I<0和U<0、I>0时安培力为负方向.由图5可知，金属杆所受的安培力方向作周期性变化，而非参考答案中所说的安培力方向不变.

图5

3.4实验拓展

4　结束语

利用DISLab进行交流电实验，可密集记录实验数据，通过图像的形式把电流、电压的变化情况同时展示出来.将稍纵即逝的过程“定格”，用图像的缩放功能“拉长”时间，充分发挥数字化实验的优越性，使抽象的问题变得直观，降低了学生理解上的困难，突破了教学难点.DISLab降低了实验的操作难度，可以完成用传统实验器材做不好或做不了的实验，为学生进行探究性学习提供了有力的技术支持，促进了学生探究能力的提高.

[1] 陶洪.物理实验论[M].南宁：广西教育出版社，1996.

[2] 冯容士.DISLab与力学实验教学[J].物理教学，2004，(11)．

[3] 王维国.基于数字实验平台的物理探究性校本课程的开发与研究[D].苏州：苏州大学，2007.

[4] 秦曾煌.电工学[M].北京：高等教育出版社，2004.