利用DIS实验系统改进自感演示实验

韩海波

(广州市番禺区象贤中学 广东 广州 511483)

自感现象的实验演示，在普通高中物理新课程标准中，被列为必做的实验内容.但不少物理教师感到这个实验很难做好，而且学生学完这一部分内容后掌握情况普遍不够理想，思维上总有一些误区.而将DIS实验系统引入自感演示实验的教学中，效果则大不相同.对此，笔者根据自己在教学中的体会谈一点感想.

1 传统实验所存在的问题

传统实验电路图如图1和2所示.通、断电实验装置分离，易给学生这样的错觉，似乎在一个电路中只在通电时才有自感现象发生，而在另一个电路中则只是在断电时才有自感现象发生.

图1 通电自感电路图 图2 断电自感电路图

在演示断电自感中为说明小灯泡的熄灭有一个延迟，教材中的演示实验故意设置成灯泡闪亮一下，这样的设置尽管是说明了断电自感现象的存在，但是却给学生留下了难以磨灭的印象，认为只要是断电自感小灯泡就一定会闪亮一下；认为断电过程中，自感电动势必然很大，远远超过电源的电动势.

自感现象中对自感电动势方向的判断是本节课教学的重点，也是一个难点问题;然而教材中演示实验却不能直观地显示出自感电动势的方向.

2 利用DIS系统改进传统实验

基于以上分析，在教学实践中笔者体会到，将DIS实验系统引入自感实验中将会解决传统实验所存在的问题和不足，可收到比较好的教学效果.

2.1 实验装置

实验电路如图3所示.通电自感和断电自感合二为一，在原本通电自感电路的两条支路中连接两个电流的传感器.

图3 基于DIS的自感现象电路图

2.2 实验过程及分析

2.2.1 实验过程

(1)调节滑动变阻器R的阻值，使开关闭合时，小灯泡L1和L2亮度相同.

(2)闭合开关S瞬间，让学生观察小灯泡L1和L2的亮度情况.

(3)断开开关S瞬间，让学生观察小灯泡L1和L2的亮度情况.

(4)以上操作的同时用数据采集器采集两条支路在开关闭合和断开瞬间电流的变化情况.

2.2.2 实验现象

(1)闭合开关S瞬间，L2先亮，L1后亮;说明开关闭合瞬间有自感现象发生.

(2)断开开关S瞬间，小灯泡L1,L2熄灭.因为时间太短，肉眼很难分辨出是逐渐熄灭还是立即熄灭的.

(3)数据采集器采集到的数据图像如图4，其中图线Ⅰ显示的是L1支路中的电流，图线Ⅱ显示的是L2支路中的电流.

2.2.3 对图像的分析

闭合开关S瞬间，L1支路中的电流是缓慢增大的，而L2支路中的电流是瞬间增加的，说明了通电自感现象的存在；2.9 s时断开开关S的瞬间，两条支路的电流都不是立即为零，而是逐渐减小到零.图线Ⅰ显示L1支路中电流逐渐减小到零,图线Ⅱ显示L2支路中的电流瞬间反向达到峰值再逐渐减小到零;由此证明了断电自感现象的存在.

结合图4，对感应电动势方向做进一步的分析.

图4 通断电自感中两支路电流变化图像

针对L2支路中的电流瞬间反向进而思考自感电动势的方向问题.当开关断开时，线圈L中电流减小，产生自感电动势，阻碍电流的减小.因此自感电动势的方向与原电流方向相同，故L1支路中电流是逐渐减小的，如图线Ⅰ所示.由于此时开关已经断开，所以灯泡L1、灯泡L2、电阻R、线圈L形成新的回路.感应电流流过L2时，电流方向与原开关闭合时电流方向相反(如图5);故L2支路中电流是先瞬间反向，再逐渐减小.最后灯泡L1、灯泡L2同时熄灭，如图线Ⅱ所示.

图5 开关断开瞬间电流方向

3 结语

自感现象的发生是瞬间完成的，时间短，可见度小，肉眼不易观察与分辨.而DIS实验系统有着强大的数据采集功能，能够实现实时观察与动态记录.利用DIS实验系统记录下通电自感和断电自感现象中电流的变化情况，可以使学生清楚地认识到同一个电路在开关闭合和断开瞬间都会有自感现象发生.不仅如此，图像还清晰的反映出了自感电动势的方向，在看图、读图的过程中学生实现了由定性观察向定量分析的提升.在此基础上，教师可以再次演示传统实验中的断电自感，让学生明确“闪亮一下”的条件.教学实践中发现，这样的处理方式收到了比较好的教学效果.

参考文献

1 保宗悌，姚跃涌，等.普通高中课程标准实验教科书·物理(3-2).广州：广东教育出版社，2005

2 钱扬义.手持技术在理科实验中的应用研究.北京：高等教育出版社，2003