自感实验中电流异常现象分析

陈锦芸 张军朋

(华南师范大学物理与电信工程学院,广东 广州 510006)

人教版《普通高中物理实验教科书》对自感现象的教学思路基本如下:先演示通断电自感现象后引导学生观察现象并对其原理进行解释．[1]学生从灯泡亮度的变化情况理解自感的作用,这样的设计易于学生接受．同时为了响应新课标提出重视信息技术在物理教学中运用的观点,教材在“做一做”栏目中使用电流传感器演示自感对电路中电流的影响;并在文中明确指出,不一定需要使用灯泡对比对象,也可以使用电阻作为实验的仪器．有些学生对此便会产生疑问,如果将灯泡作为实验仪器,使用传感器演示自感对电路中电流的影响,又会有什么特别之处呢?

物理是一门实验、求真的学科,物理教学要保护、支持学生对未知知识的求知探究精神,因此本文将针对使用小灯泡在自感实验中出现的异常现象进行详细分析并浅谈几点思考．

1 基于DISlab的演示实验

使用DISlab传感器套件中的电流传感器进行实验,按照图1电路图连接,分别接在两个规格相同的灯泡A1和A2后面,传感器的采集频率为20 Hz．闭合开关,可以在计算机通用软件界面观察到流经两个支路灯泡的电流变化图像,若流经灯泡的电流为正时,电流曲线位于横轴上方,反之则电流曲线位于横轴下方．为了使传统实验效果与DISlab实验效果同时呈现,可以事先调节电阻箱使两灯泡在通电时亮度大致相同．按照上述操作所得实验图像,如图2所示．(电阻支路为电流传感器1的图像,电感支路为电流传感器2的图像,下同)

图1

图2

经过实验测试,将出现以下两种不同的异常现象: (1) 电流的图像在电阻支路与电感支路均出现峰值,如图3(a)所示;(2) 电流的图像在电阻支路出现尖峰,在电感支路没有出现尖峰,如图3(b)所示．

可以从图像中观察到,通电瞬间,流经灯泡A1的电流先到达一个最高值后再回到一个稳定值,即电流图像出现一个“尖峰”．而流经灯泡A2的电流则有时会出现“尖峰”,有时则不会出现．若按照电路图1,将小灯泡均换成电阻,则不会出现上述情况．[2]故笔者猜测电流峰值的出现可能与灯泡的电阻随温度的变化而变化有关,那其背后有着如何的规律,笔者针对上述猜想进行了下述实验．

(a) 规格为4.8 V、0.5 A小灯泡的I-t图像

(b) 规格为3.8 V、0.3 A小灯泡的I-t图像

2 实验验证及结果分析

2.1 实验验证

为验证上述猜想,笔者选择形状相同不同规格的6种灯泡,在相同的电源6.2 V,电阻支路滑动变阻器的阻值为19.2 Ω的条件下进行实验．在原本的实验基础上,分别在灯泡的两端再增加两个电压传感器,实际测出灯泡电压的变化,方便得出电流变化过程中,小灯泡电阻的变化．以规格为4.8 V、0.5 A的小灯泡为主的灯泡在实验过程中,电阻支路与电感支路的电流图像均出现“尖峰”,如图4(a)所示;整个实验过程中,小灯泡电阻的变化情况如图4(b)所示．(图中电阻支路为灯泡A1电阻随时间变化图像,电感支路为灯泡A2电阻随时间变化图像)

图4

从图中可以观察到:电阻支路的电流稳定时间为0.75 s,灯泡A1电阻变化稳定的时间为0.75 s;在闭合开关后,灯泡的阻值较小随后逐渐增大并稳定在某个阻值．电感支路电流稳定时间为1.35 s,灯泡A2电阻稳定的时间为1.50 s;灯泡电阻稳定的时间明显长于电流稳定的时间．因此笔者猜测电流图像出现峰值的情况与电阻稳定的时间有关．为更好地验证实验猜想,对其它规格的小灯泡也采用相同的做法,具体的实验数据如表1所示.

表1 各规格灯泡电流、电阻变化稳定时间表

2.2 结果分析

(1) 电阻支路.

从上述实验数据中可得:对于电阻支路,电流稳定时间与灯泡A1电阻稳定的时间相同,即当灯泡电阻稳定时,电流也趋于稳定的状态．根据对灯泡伏安特性曲线实验的理解,以及灯泡的R-t图像可知电流图像出现峰值的原因在于:通电瞬间,灯泡的温度来不及升高导致其处于低阻状态,且滑动变阻器对电流的阻碍作用较小,因此通过该支路的电流会瞬间达到一个最大值．随着灯泡温度的升高,其阻值也随之升高,在支路电压一定的情况下,电流随着灯泡阻值的增加而减小,最后趋于稳定的状态,故电流出现会出现一个“尖峰”．

(2) 电感支路.

在电感支路中电流稳定的时间T1与灯泡A2阻值稳定的时间T2之间出现两种情况．若T1

图5

由图像可知,对于电感支路,3.8 V、0.3 A规格的灯泡电压稳定时间与电阻稳定时间相同,均为0.70 s,电感支路的电压未出现峰值;对于规格为4.8 V、0.5 A的灯泡而言,电阻稳定的时间为1.60 s,电压稳定的时间为1.55 s,且电感支路的电压出现峰值．可见,对于规格为3.8 V,0.3 A的灯泡而言,虽然T1

2.3 实验再分析

根据上述实验结果,结合文献[3]中对灯泡伏安特性曲线性质的分析:假设使用灯泡进行实验时,当各支路对电流的阻碍作用较大导致电流缓慢增加,此刻灯泡温度的变化较不明显．若电流增加的速度足够慢时,灯泡每一个状态都可以近似达到动态热平衡,此时温度不再是时间的函数,而只与电流有关,即电阻的变化与电流的变化保持一致,电流图像将不会出现“尖峰”．

为验证上述实验结果,在原来的实验电路中,将电阻支路的滑动变阻器从原来的19.2 Ω增大为37.5 Ω,对比两种不同情况下电阻支路电流的变化情况．如图6(a)所示．同时在电感支路中再串联一个电阻,使支路电阻由原来的10.08 Ω变为15.78 Ω,对比前后电流的变化情况,如图6(b)所示．

(a) 规格为3.8 V、0.3 A小灯泡的I-t图像

(b) 规格为6.0 V、0.5 A小灯泡的I-t图像

从图5中可知,在电路中增加电阻时,可使电流变化较为缓慢,此时在通电瞬间,电流图像的“尖峰”变小了或不再出现“尖峰”．

3 结束语

将现代信息技术应用到中学实验是一种教学趋势,为实验探索与研究带来很多方面的便利,也让实验的质量得到大大的提高．在实验的过程中发现一些与之前理论或者是预测中有些差异的地方,笔者认为在学有余力的情况下,带领学生去猜想并认识特殊现象后面的本质是非常重要的．通过上述几组实验,可以明确得知,通电过程中,自感电路中电流出现的异常现象与灯泡受温度变化而阻值发生一定变化的关系相关．实际演示过程中,设置好电路中的电阻或选择恰当的灯泡是可以减缓甚至避免异常现象的产生．

实验探究过程中虽然简单,但也花费了笔者大量的时间设计电路．虽然实验过程中还有未能真正解决的问题,但这也是一个挑战,一个新的探究方向．作为教师,在教学过程中,只能作为学生探究学习的促进者与帮助者,虽然学生在探究过程中仍会遇到很多无法预料的问题,但是可以在该过程获得很多仅灌输教学所学不到的东西与方法．学生在学习过程中发现问题,思考问题,解决问题,在探究中可以获得更多的喜悦,帮助学生更热爱这门学科．也希望广大教师可以在适当的时机给予学生探究体验的机会,让学生更爱学习物理,更爱物理的这门学科．