自感现象演示实验的教学设计

程 柏

(新疆兵团第七师高级中学，新疆 奎屯 833200)

1 传统自感演示实验的不足

新教材[1]继承传统自感演示实验，通过演示通电自感现象中灯泡的延迟发光和断电自感现象中灯泡的闪亮现象，让学生认识自感电动势对电流变化的阻碍作用.通电自感和断电自感的实验电路如图1所示.其中，对于通电自感[图1(a)]，当接通开关S，可观察到灯泡A2立刻发光，而灯泡A1逐渐变亮，由此可知，线圈产生的自感电动势阻碍了电流的增加；对于断电自感[图1(b)]，当断开开关S后，可观察到灯泡A闪亮后熄灭，说明电感线圈L和灯A组成的回路中在外接电源已断开的情况下，还有电流通过,这是由于线圈中在断电时产生的自感电动势阻碍电流减小所致，即线圈中电流不是突变为0.以上演示实验在课堂实践中存在以下问题：

1)通电自感和断电自感现象分别通过2个不同线圈在不同电路中演示得到，容易导致学生产生图1(a)所示电路只能产生通电自感，图1(b)所示电路只能产生断电自感的错误认知.

2)断电自感闪亮的条件未从实验中显现.尽管灯泡闪亮给了学生感官刺激，但灯泡闪亮是否是因为线圈中的电流突然激增而引起的，断电自感是否一定会导致灯泡闪亮，均无法从图1(b)中得到答案.

(a)通电自感

3)图1(b)中灯泡A无法显示自感电流的方向，从而不能证明线圈中产生的自感电动势对电流减小的阻碍作用.

4)容易让学生误认为图1(b)中产生的感应电动势大小与断电开关动作的快慢有关.

图2 断电自感的实验装置

2 自感演示实验的改进

2.1 引入自感概念

设计演示电路如图3所示，对于纯电阻电路[图3(a)]，当开关S1接通时，电流计指针迅速增大至最大值；当开关S1断开时，电流计迅速减小至0.用自制线圈替代纯电阻得到自感电路[图3(b)]，重复以上操作，当开关S1接通时，电流计指针缓慢增大至最大值，并且越接近最大值，电流增加越慢；当开关S1断开时，理想二极管相当于导线，回路中电流变化通过电流计显示为从最大值逐渐减小至0，并且越接近0，电流变化越慢.

(a)纯电阻电路

该演示电路结构简单、干扰少，通过对比实验，凸显出自感实验的本质现象，学生更容易接受纯电阻电路中电流可以突变，而通过电感线圈的电流不能突变，引导学生进一步思考线圈中电流不可突变的原因，从而顺利建立自感概念：当线圈中电流变化时，线圈本身会激发感应电动势，又称自感电动势，根据楞次定律，自感电动势会阻碍线圈中电流的变化，该现象为自感现象.

2.2 确立自感规律

为了进一步加深自感概念的理解，确切看到“延缓熄灭”的规律，凸显自感的本质，将教材的原始实验电路改进为图4所示电路.

图4 改进后的演示电路2

为了使得时间足够长，电路中的LED均为16个发光二极管并联而成的LED组，电流表量程为300 mA.具体操作步骤为：

1)闭合开关S1和S2，调整滑动变阻器R使稳态时的LED1和LED3亮度相同，断开开关S1.

2)演示通电电感：闭合开关S1，可观察到电流计指针A2的偏转速度比A1慢，LED3比LED1亮得缓慢、滞后，以及LED2不亮.

3)演示断电自感：断开开关S1，可观察到电流计A2的指针摆回速度比A1慢，LED3比LED1延缓熄灭，以及断开开关S1的瞬间，LED3变亮后再与LED2同时熄灭.

以上实验现象充分彰显了自感的本质——阻碍电流的变化.

2.3 解惑自感疑难

2.3.1 断电自感灯泡一定会闪亮吗？

新教材中关于断电自感灯泡闪亮的实验，容易给学生造成“断电自感就是灯泡一定要闪亮”的前概念，也容易让学生形成“是线圈中电流激增导致灯泡闪亮”的错误认知.针对以上问题，设计如图5所示电路进行演示[2]，以破除学生的错误认知.具体操作如下：

图5 演示实验电路3

1)调节滑动变阻器R=0，断开开关S，可观察到灯泡闪亮的现象.这是由于电路处于稳态时，线圈中的电流大于灯泡中的电流.由于断开开关S后，线圈中的电流不能突变，而是从稳态值逐渐下降，造成回路灯泡中的电流突然比原来大，从而出现灯泡闪亮的现象，而并非线圈中电流激增引起的.

2)增大滑动变阻器电阻R，使线圈支路电阻大于灯泡A的电阻，断开开关S后，未观察到灯泡闪亮的现象.这是由于电路处于稳态时，线圈中的电流小于灯泡中的电流，当断开开关S后，线圈中电流从稳态值逐渐下降，造成回路灯泡中的电流比原来小，从而不会出现灯泡闪亮的现象.

2.3.2 断电自感引起的感应电动势可任意大吗？

图6 演示实验电路4

2.4 深化自感本质

为什么线圈中的电流不能突变？自感现象的本质为什么被称为“电磁惯性”[4]？针对以上问题，本文采用类比法，把自感现象及规律和力学现象及规律做了对比，如表1所示.

表1 自感与力学的区别和联系

在自感现象中，线圈总是保持自身电流不变，产生的自感电动势总是反抗自身电流发生变化，因此线圈中的电流不能突变，只能缓慢变化.自感现象的本质是电磁惯性，是惯性概念在电磁学中的体现.

3 结束语

本文采用4块自制电路演示板，共用1个绕制线圈，弥补了传统自感实验的不足，设计了更符合物理教学逻辑、学生认知规律的实验流程.演示电路1呈现了自感最本质的现象，即线圈中的电流是缓慢变化的，从而顺利建立了正确的自感概念；演示电路2呈现了LED缓慢变亮和缓慢熄灭的现象，进一步增强了学生对自感规律的理解；演示电路3显化了断电自感灯泡闪亮的条件；演示电路4破除了学生对自感电动势大小与开关动作快慢有关的错误认知.另外，本文将自感与力学从本质上进行了科学性的类比，深化了学生对自感的理解，使学生既扎实了基础知识，又发散了科学思维，并形成了力、电物理本质统一的思想，帮助学生感受物理世界的丰富多彩和简单和谐，让学生了解物理规律既具有多样性，又具有统一性，从而实现物理学的美育.