利用电压传感器演示线圈的断电自感现象

陈军刚

实验背景：

自感现象是人教版高中物理课本选修3-2第四章电磁感应中的内容。在2018年高考考纲中为Ⅰ级标准，要求学生知道自感现象和自感电动势的概念。在选修3-2教材中用图1所示电路演示自感现象，通过观察开关闭合与断开的瞬间小灯泡亮度的变化来间接演示自感现象，学生不能直接观察自感电动势的变化情况，这就造成学生对自感现象的认识不够深入，对自感电动势概念的理解比较困难。

如果在试验中学生能直接观察线圈中自感电动势的变化情况，那么学生就能清晰直观地认识自感现象，帮助学生理解自感电动势的概念。也能进一步加深学生对电磁感应现象的认识和对楞次定律的理解。

所以我设计了利用电压传感器演示线圈的断电自感现象的实验，本实验可以用电压传感器直接观测开关断开时线圈中产生的自感电动势的大小、方向和变化情况，让学生对自感现象和自感电动势的变化情况有一个直观和感性的认识，帮助学生理解自感电动势的概念，加深学生对电磁感应现象的认识和对楞次定律的理解。

实验目的：

1.学会使用电流传感器和电压传感器进行试验，并能利用计算机技术对试验数据进行处理和分析；

2.利用电压传感器和电流传感器观测线圈的断电自感现象和自感电动势的变化情况。

实验原理：

自感现象是当一个线圈中的电流发生变化时，线圈本身激发出感应电动势的现象。如图1所示，当开关S断开的瞬间，线圈中的电流突然减小，电源加到线圈两端的电压消失，由于自感现象，此时线圈中就会产生自感电动势，而利用电压传感器就可测量并记录自感电动势的大小。

实验器材：

干电池8节（1.5V）、单刀单掷开关1个、单刀双掷开关1个、发光二極管1支、有闭合铁芯线圈1个（匝数1400匝，内阻约为60Ω）、滑动变阻器1个（100Ω，0.5A）、导线若干；

电压传感器（江苏艾迪生公司，型号VS400）、电流传感器（江苏艾迪生公司，型号CS400）、高频数据采集器（江苏艾迪生公司，型号LobPro500）、Edis数字化探究实验室系统软件。

实验步骤：

1.如图1所示实验电路图，连接实验仪器，完成实验电路，并检查确认电路连接无误；

2.打开Edis数字化探究实验室系统软件，调试电压传感器和电流传感器，确认传感器和软件工作正常；

3.开始实验，先将单刀双掷开关P与触头1闭合，此时电压传感器测量线圈两端的电压，然后点击Edis数字化探究实验室系统“开始”按钮，同时多次闭合、断开开关S，Edis数字化探究实验室系统将自动记录实验数据；

4.将单刀双掷开关P与触头2闭合，此时电压传感器测量与线圈内阻相等的电阻两端的电压，然后点击Edis数字化探究实验室系统“开始”按钮，同时多次闭合、断开开关S，Edis数字化探究实验室系统将自动记录实验数据；用于对比实验。

5.实验结束，拆除实验装置，进行数据分析。

实验结果与分析：

如图3所示为电压传感器记录的电感线圈两端电压随时间变化的图像，图4为与线圈内阻相等的电阻两端的电压随时间变化的图像。

如图2可知，每次当开关S断开的瞬间，线圈两端的电压突然消失的同时产生一个较大的反向电压。而在图3电阻两端的电压随着开关S的断开而变为0，并没有产生反向电压。对比开关S断开瞬间线圈和电阻两端电压的变化情况可知，在开关S断开的瞬间线圈中产生了感应电动势，感应电动势的方向与电源加在线圈两端电压的方向相反。

编辑 刘瑞彬