运用PASCO传感器研究自感现象的实验设计

周 莹 刘茂军

(吉林师范大学物理学院，吉林 四平 136000)

1 实验改进思路

自感现象是高中物理“电磁感应”一章的重要内容.人教版教材通过对通电、断电瞬间灯泡发光的变化演示自感现象，但无法直观显示自感电流方向的变化.该教材在“做一做”环节用电流传感器演示自感对电路中电流的影响，[1]但也仅仅演示了通电时的自感现象.有的实验运用DISLab数字化传感器进行研究，[2-3]但没有对相关数据做精确的定量研究.

本实验尝试运用PASCO数字化传感器对该实验进行重新设计，与人教版教材中的实验相比，新设计的实验有以下改进：

(1) 数字化传感器完整记录通电、断电瞬间的电流变化图像，有助于学生理解自感现象的特点和本质.

(2) 数字化传感器可以定量记录自感现象作用的时间，可以对自感系数不同的情况进行定量比较研究.

(3) 设计了并联电路的自感现象，不仅可以演示出通电自感现象，而且可以演示断电自感电流方向.

2 实验基本过程与实验数据

本实验用电阻箱代替传统实验中的小灯泡，可以解决因灯泡阻值变化而导致实验数据精确度下降的问题.电源电动势选用4 V的直流稳压电源，线圈匝数n选用1400匝，阻值RL=50 Ω.

实验1：通电时自感现象演示.

(1)连接电路.

如图1所示，将电阻箱的阻值调至50 Ω，与自感线圈等阻值串联，闭合开关，观察电流的变化情况；将自感线圈拆掉，电阻箱的阻值调至100 Ω，再次测量，比较两次测得的I-t图像.

图1 串联电路自感现象演示实物图

(2) 实验图像示例(图2).

(3) 实验数据分析.

设定没有自感线圈电路中的电流为I1，电阻箱与自感线圈串联的电流为I2.在I-t图像中按一定时间间隔选取数据点，记录两次实验条件下电流随时间变化的关系，如表1所示.

表1 不同实验条件下的电流与时间关系

从表1中可以看出，电路中没有线圈时，电流几乎瞬时达到最大值；而当电路中有线圈时，电流需要大约0.036 s达到电流最大值.由此说明：开关闭合时，通过电阻箱的电流I1几乎瞬间从0增加到最大值0.041 A，而串联线圈的电路由于受到自感线圈产生的阻碍作用，使电流I2增加得相对缓慢，最终稳定在0.041 A.

实验2：并联电路自感现象演示.

(1) 连接电路.

如图3所示，将电阻箱调至50 Ω(为了让两个电流传感器电流大小一致)，与自感线圈并联，两个电流传感器分别连入两条支路中.将开关先闭合后断开，观察两条支路上的I-t图像.

图3 并联自感现象实验电路图

(2) 实验图像示例(图4、图5).

图4 并联电路通电自感I-t图像

图5 并联电路断电自感I-t图像

(3) 实验数据分析.

设定电阻箱所在支路的电流为I1，自感线圈所在支路的电流为I2.记录两次实验条件下电流随时间变化的关系，如表1所示.在I-t图像中按一定时间间隔选取数据点，分别记录通电与断电瞬间各支路电流随时间变化的关系，如表2所示.

表2 通电和断电瞬间电流与时间变化

从表2中可以看出，在通电瞬间，没有线圈的支路电流I1几乎瞬间达到最大值，有线圈的支路电流I2需要大约0.036 s才能达到电流最大值，说明当电流增加时，自感线圈对电路中的电流产生阻碍作用，证明自感现象的存在.

在断电瞬间，两条支路组成一个闭合回路，电流并没有瞬间减小到0，而是电流数值逐渐减小，断开瞬间到电流为0的时间间隔为0.022 s.同时，电阻支路的电流I2由稳定值0.079 A瞬间反向变为-0.047 A，后逐渐减小到0，线圈支路电流则由最大值经过一定时间降为0，说明自感线圈产生了一个与原电流方向相同的电流，从而起到“阻碍”电流变化的作用.

3 结论

通过以上两组实验，清晰地演示了通电与断电瞬间电流I与时间Δt的关系，验证了自感现象对电路中电流的影响.当电路中的电流变化时，自感线圈所产生的感应电流总是阻碍原电流的变化.