自感现象探究和演示实验改进

1、自感现象探究和演示实验改进摘要：自感现象是高中物理学习的难点，教师在课 堂上做的演示实验对学生正确认识和理解自感现象具有重 要的意义。本文结合课堂教学要求，针对学生学习自感现象 存在的误解，通过对自感现象的分析，对自感现象的演示实 验进行探究，并对实验进行了改进，增强实验的趣味性和新 颖性，充分发挥了物理演示实验的功能。在对自感现象演示 实验探究与改进的基础上，对这些演示实验的综合分析及从 教学法的角度来考虑，使学生能够比较直观地了解实验现 象，并能消除学习自感现象中的误解，提出对自感演示实验 改进的几点具体措施和方法，在消除学生学习困难，提高学 生的理解能力和科学素质，促进学生的学习上有所帮

2、助。关键词：自感发现；理论分析；实验改进中图分类号：g633. 7文献标识码：a文章编号： 1992-7711 (2013) 30-0086自感现象的实验演示一直是高中物理的必做实验。不少 物理教师感到这个实验比较难做好，换个角度考虑，从物理 教学实验方法和学生学习、理解方面来看，都有进一步研究 和讨论的必要。图1和图2分别是高中物理课本所采用的演示实验电路 图。图1的电路用于演示通电时的自感现象：当s接通时， 可见到a2几乎立即变亮，而a1是逐渐变亮的（尽管最后稳 定时与a2亮度一致），这说明在接通电源时，线圈中有自感 电流产生，阻碍电流的增加。图2的电路用于演示断电时的自感现象：当s接通时

3、， 灯泡a正常发光情况下，断开s,可看到a灯闪亮一下之后 熄灭。尽管一般实验闪亮的持续时间极短，也看不出灯泡熄 灭的过程，但利用灯泡在s断开后闪亮的事实，可以说明由 电感、电灯组成的回路中在外接电源己断开的情况下确实还 有电流通过，这只能是线圈在断电时产生的自感电流所致。在中学物理课中引入自感概念的实验，存在明显的不 足，主要是实验现象没有突出自感的本质特征，而所表现的 某些现象又易被学生曲解。当图2电路断电时，灯泡a应该 突然出现耀眼的闪光或看到"过一会儿才渐渐熄灭”，但这 些现象极为短暂，学生不容易观察到。即使能够观察出来， 也不能充分说明是由自感而引起的，因为没有同时演示出无

4、自感线圈影响下灯泡的明亮情况。由于通、断电自感现象是 用两个线路分开演示的，这样容易使学生对通、断电自感现 象的本质产生因线路而异的错觉。对于图1线路，根据a1 较a2后亮这一现象，经过仔细分析可以判别出自感电动势 的方向。但对于图2线路即使能观察出现象也无法判别出自 感电动势的方向。有研究表明，该实验方案有两点不足：a.实验现象不够 明显，在图1中，两个灯泡a1和a2达到正常亮度的时间间 隔较小，没有明显的先后差别。在图2中，很难看到灯泡有 更亮的一闪，然后再熄灭。b由于用两个实验电路来分别演 示电路接通与断开时所产生的自感现象，做完实验后，学生 常常向教师提出这样的疑问：用图1为什么不能演

5、示电路断 开时的自感现象？难道当图1中的开关s断开时，电路中没 有自感现象？高中学生对自感现象有一些错误的理解，具体 表现如下三类：认为通电的线圈在断电时，通过线圈的电 流会有一个瞬时增大的过程；断电过程中，自感电动势必 然很大，远远超过电源的电动势；自感电动势的大小与开 关动作的速度有关，快速通断电时自感电动势很大。"自感”是教学难点，要做好“通电自感”和“断电自 感”两个演示实验，则是突破本节教学难点的关键。课本设 置“断电自感”演示实验，目的是使学生通过观察和了解电 源断开时，通过小灯泡电流大小和方向变化情况，从而产生 对自感现象的感性认识。但当我们按照课本图2做演示时， 一般

6、很难达到本实验的预期目的：它无法反映当s断开时， 通过小灯泡电流方向的突变。由于电流延迟量较小，且在断 电时刻，观察者无法准确确定，因此，电流“延迟”现象在 实验中表现不明显。笔者认为该实验存在一定的不足，它容 易使学生误认为，只有小灯泡"突然一亮”才会产生自感现 象，或者认为发生自感时，小灯泡的电流就一定比稳态时大。 实际上灯泡的“突然一亮”并不是自感的必然结果，它只是 为了使我们能通过观察到电流大小突变而有意设计的这一 现象。综合上述的几点存在的问题，为了达到我们的教学目 的，直观的反映演示实验结果，我们首先对自感现象进行分 析总结。首先，图1和图2所示的电路都含有两个回路，用于

7、作 为向初学者引入自感概念的实验，则过于复杂。学生不易从 所表现的实验现象中分辨和把握本质特性。同时，通、断实 验装置分离，易给学生一个错觉，仿佛在一个电路中只有在 通电时才有自感现象发生，而另一个电路中只有在断电时才 有自感现象发生。其次，图2所示的电路显示了在电源断开时灯泡比原来 更亮一下的现象，这给学生的感觉刺激是很强烈的。然而， 它对自感现象来说，却属于非本质的现象。因为它要使灯泡 闪亮，不仅要有线圈的存在，即要有暂态过程，而且必须满 足r （线圈）针对现行的自感演示实验的不足之处，下面介绍一个具有代表性的实验改进方案：改进方案：如图3所示，di、d2为两只相同型号的二极 管，a、b为

8、两只完全相同的灯泡，l为自感线圈，所有器 材均安装在同一块示教板上，安装时要注意尽量使二灯靠 近，以增强实验时两灯发光情况的可比性，闭合s,由于二 极管的单向导电性，使学生通过实验观察到a、b两灯不能 同时发光，但通过改变电源正负极接法而使不同的灯泡发 光，明确发光灯泡不同，电流方向也不同。断开s之前，则 a灯发光。当断开s时，a灯熄灭（二者总是同时发生的）， 同时原先不发光的b灯发生了 “突然一亮，而且比a灯发光 时更亮，然后逐渐熄灭”的现象。通过a灯熄灭，b灯发亮, 知a灯与b灯并联的ef电路电流方向发生了改变，即由断 开前电流方向由e经灯a、二级管d1到f而变为电流从f经 二极管d2、灯

9、b到e,又由于开关s断开电流不可能回到电 源，所以电流必然在线圈l与灯b组成的回路中流动。故知 线圈l中有电流且在开关s断开后，电流方向不变；灯泡“突 地一亮”说明了电流大小的突变，即通过b灯的电流比断开 s前通过a灯的电流大；另外，a灯熄灭时刻即是电源断开 时刻，b灯发光完全是电流“延迟”的结果，本实验较好地 解决了电流“延迟”现象的直观性问题。这个方案较好地解决了发生"断电自感”时通过小灯 泡电流方向突变和线圈l中有电流且方向不变，以及电流 “延迟”现象的可视性问题，这为本节课进一步分析自感现 象产生的原因做了很好的铺垫。演示实验，是物理教学过程中将理论与实际相结合的重 要方法之一，也是激发学生学习兴趣，启发学生思维，提高 物理教学质量的重要手段。物理实验教学是有助于学生理解 和掌握物理学的理论，是提高学生分析问题、解决问题不可 缺少的教学环节。它使学生在如何运用理论知识、实验方法 和实验技术解决科技问题得到必要的基本训练，对于培育学 生严谨的科学作风、实事求是的科学态度、辩证唯物主义世 界观以及良好的实验室工作习惯，也有着不可忽视的作用。 因此，加强与改进物理实验教学，对提高学生能力是重要