自感现象演示实验的改进研究

王会军

摘 要：本文结合现行《物理》《电工学》教材中自感现象演示实验电路，详细分析了实验电路存在的不足。同时，针对存在的不足提出了相应的改进措施，并对改进后的实验电路进行了较为详细的实验分析。

关键词：自感现象 实验 改进

自感现象是由于通过线圈自身的电流发生变化而在线圈中引起的电磁感应现象。自感理论是电磁学中的重要理论，自感现象在电工领域应用十分广泛。这部分内容比较抽象，单靠理论分析讲解，学生难以理解，不容易接受，是教学中的难点。为此，在教学过程中，教师需要通过做好演示实验来增加学生的直观认识，帮助学生更好地理解和掌握自感现象的本质，从而实现难点突破，有效地达到教学目的。

在很多《物理》《电工基础（电类）》《电工学（机械类）》教材中，大多采用以下两个实验电路来演示自感现象。

图1（a）用于演示开关SA闭合时的自感现象。图中HL1和HL2是两个规格完全相同的电灯泡，通过调节可变电阻R，可以使两个灯泡的亮度一样。在闭合开关SA的瞬间，能够观察到灯泡HL2立刻达到正常亮度，而灯泡HL1会延迟一会逐渐变亮，最后两个灯泡达到同样亮度。图1（b）用于演示开关SA断开时的自感现象。先闭合开关SA，灯泡HL正常发光后，再突然断开开关SA，可以观察到灯泡HL会猛然闪亮一下，然后再逐渐熄灭。

一、实验电路存在的不足

在实际教学过程中，我们发现上述实验电路存在一些不足。

第一，通、断电自感实验分别放在两套实验装置中进行，容易使学生误认为通、断电自感现象是发生在不同的电路中，形成图1（a）中无断电自感现象、图1（b）中无通电自感现象的错觉，从而掩盖了自感现象的本质。同时，通、断电实验放在两套实验装置中进行，操作也相对比较麻烦。

第二，在教学实践中，很多教师做这两个演示实验时，自感现象往往不够明显。表现在通电时灯泡HL1逐渐变亮的时间过程太短，断电时灯泡HL没有瞬时亮度加强的明显现象，而后逐渐熄灭的时间过程也太短。

第三，这两个演示实验都是通过灯泡的亮度变化来体现自感现象的，但灯泡的亮度变化不能反映自感电动势的方向。我们做自感现象演示实验的目的，不仅是为了引入自感的概念，更重要的是为揭示自感的实质提供直观的感性依据。

二、改进措施与实验分析

1.改进的实验电路

通过改进采用如图2所示实验电路。

2.实验分析

（1）当合上开关SA时，二极管VD因为加反向电压而处于截止状态，不导通。通过电感线圈与灯泡HL1串联电路的电流，要发生从无到有的变化，穿过线圈的磁通也随之增大，这样在线圈中因为电磁感应而产生感应电流。根据楞次定律，此时感应电流要阻碍线圈中原电流的增大，因此，灯泡HL1会延迟一会逐渐变亮。对于灯泡HL2支路，由于串联的是线性电阻R，不会发生上述电磁感应现象，所以灯泡HL2在接通电源后立即正常发光。可见，此时图2与图1（a）在实质上是一样的，其实验结果一致。

（2）当断开开关SA时，通过线圈的电流突然减小，穿过线圈的磁通量也突然减少，在线圈中必然要产生一个很大的自感电动势以阻碍原电流的减小。虽然这时电源已被切断，但感应电动势加在二极管VD两端使其导通，线圈与灯泡HL1通过二极管形成闭合回路。在这个回路中有较大的感应电流通过，所以灯泡会猛然闪亮一下再逐渐熄灭。但灯泡HL2支路不会发生上述电磁感应现象，且在此过程中相当于被短接（二极管正向导通时电阻很小），因此在断开电源后立即熄灭。这与图1（b）的实验结果一致。

可见，改进后的实验电路可以将通、断电自感实验放在同一套装置中进行，既避免了学生产生错误认识，有利于揭示自感现象的本质，又操作方便。

自感现象演示实验的效果是否明显，关键在于电感线圈的选择。我们知道，线圈通、断电实验时灯泡逐渐变亮或逐渐变暗的过程实质上是电感线圈储存（通电瞬间）或释放（断电瞬间）磁场能的过程。在这个过程中，储存或释放的磁场能越大，实验现象就会越明显。根据可知，要使线圈能够储存或释放足够的磁场能，必须选用自感系数L较大、直流电阻很小的电感线圈。如在实验室中有几只可供选择的电感线圈，只需用万用表简单检测就可以选出合适的电感线圈。方法是：用万用表低电阻挡测量电感线圈的电阻。由于自感作用，表针会缓慢地达到稳定阻值。然后再去测量相同阻值的纯电阻，此时表针很快达到稳定阻值。选用两次时间差别越大的电感线圈做演示，效果就越明显。

在图2中，我们将线圈做成匝数较多的空心线圈，这样可以通过在空心线圈中插入铁芯来对实验现象进行比较，插入铁芯时灯泡延迟发光或延迟熄灭的时间会增长。既能使实验中自感现象更加明显，又便于说明不同的线圈产生自感磁通的能力不同，进而引入自感系数这一物理量。

在图2中，灯泡HL2支路两端并联了一个发光二极管VD，主要是利用其单向导电性。

第一，在做通电自感实验时，由于加在二极管两端的电压为反向电压，故二极管不导通，对通电自感现象实验不发生影响。

第二，在做断电自感实验时，由于在开关SA断开的瞬间线圈两端会产生自感电动势，该电动势加在二极管两端为正向电压，故二极管导通，一方面为放电电流提供通路，另一方面把灯泡HL2支路短接掉，减小了回路电阻，可以使断电自感实验的效果更加明显。

第三，采用发光二极管，可以用来显示自感电动势的方向。在做断电自感实验时，当开关SA断开瞬间，二极管会猛然闪亮一下而逐渐熄灭，这说明该瞬间二极管必定承受正向电压而导通，而此时加在二极管两端的电压只有自感电动势。自感电流的方向与自感电动势的方向一致，这就可以确定自感电动势的方向。这样，在观察自感现象的同时，根据二极管是否发光来判断出电路中电流的方向，从而确定自感电动势的方向，为我们揭示自感现象的实质提供直观的感性依据。

为了使实验现象更加明显，我们还可以考虑用测电笔中的氖管代替小灯泡，线圈采用日光灯的镇流器。为了能更清晰地显示自感电动势的方向，我们还可以考虑在灯泡HL1支路中串联接入一个检流计，根据检流计的偏转方向来显示自感电动势的方向。

参考文献：

[1]安忠，刘炳.中学物理实验研究[M].北京：高等教育出版社，1986.

（作者单位：三门峡市高级技工学校）endprint

摘 要：本文结合现行《物理》《电工学》教材中自感现象演示实验电路，详细分析了实验电路存在的不足。同时，针对存在的不足提出了相应的改进措施，并对改进后的实验电路进行了较为详细的实验分析。

关键词：自感现象 实验 改进

自感现象是由于通过线圈自身的电流发生变化而在线圈中引起的电磁感应现象。自感理论是电磁学中的重要理论，自感现象在电工领域应用十分广泛。这部分内容比较抽象，单靠理论分析讲解，学生难以理解，不容易接受，是教学中的难点。为此，在教学过程中，教师需要通过做好演示实验来增加学生的直观认识，帮助学生更好地理解和掌握自感现象的本质，从而实现难点突破，有效地达到教学目的。

在很多《物理》《电工基础（电类）》《电工学（机械类）》教材中，大多采用以下两个实验电路来演示自感现象。

图1（a）用于演示开关SA闭合时的自感现象。图中HL1和HL2是两个规格完全相同的电灯泡，通过调节可变电阻R，可以使两个灯泡的亮度一样。在闭合开关SA的瞬间，能够观察到灯泡HL2立刻达到正常亮度，而灯泡HL1会延迟一会逐渐变亮，最后两个灯泡达到同样亮度。图1（b）用于演示开关SA断开时的自感现象。先闭合开关SA，灯泡HL正常发光后，再突然断开开关SA，可以观察到灯泡HL会猛然闪亮一下，然后再逐渐熄灭。

一、实验电路存在的不足

在实际教学过程中，我们发现上述实验电路存在一些不足。

第一，通、断电自感实验分别放在两套实验装置中进行，容易使学生误认为通、断电自感现象是发生在不同的电路中，形成图1（a）中无断电自感现象、图1（b）中无通电自感现象的错觉，从而掩盖了自感现象的本质。同时，通、断电实验放在两套实验装置中进行，操作也相对比较麻烦。

第二，在教学实践中，很多教师做这两个演示实验时，自感现象往往不够明显。表现在通电时灯泡HL1逐渐变亮的时间过程太短，断电时灯泡HL没有瞬时亮度加强的明显现象，而后逐渐熄灭的时间过程也太短。

第三，这两个演示实验都是通过灯泡的亮度变化来体现自感现象的，但灯泡的亮度变化不能反映自感电动势的方向。我们做自感现象演示实验的目的，不仅是为了引入自感的概念，更重要的是为揭示自感的实质提供直观的感性依据。

二、改进措施与实验分析

1.改进的实验电路

通过改进采用如图2所示实验电路。

2.实验分析

（1）当合上开关SA时，二极管VD因为加反向电压而处于截止状态，不导通。通过电感线圈与灯泡HL1串联电路的电流，要发生从无到有的变化，穿过线圈的磁通也随之增大，这样在线圈中因为电磁感应而产生感应电流。根据楞次定律，此时感应电流要阻碍线圈中原电流的增大，因此，灯泡HL1会延迟一会逐渐变亮。对于灯泡HL2支路，由于串联的是线性电阻R，不会发生上述电磁感应现象，所以灯泡HL2在接通电源后立即正常发光。可见，此时图2与图1（a）在实质上是一样的，其实验结果一致。

（2）当断开开关SA时，通过线圈的电流突然减小，穿过线圈的磁通量也突然减少，在线圈中必然要产生一个很大的自感电动势以阻碍原电流的减小。虽然这时电源已被切断，但感应电动势加在二极管VD两端使其导通，线圈与灯泡HL1通过二极管形成闭合回路。在这个回路中有较大的感应电流通过，所以灯泡会猛然闪亮一下再逐渐熄灭。但灯泡HL2支路不会发生上述电磁感应现象，且在此过程中相当于被短接（二极管正向导通时电阻很小），因此在断开电源后立即熄灭。这与图1（b）的实验结果一致。

可见，改进后的实验电路可以将通、断电自感实验放在同一套装置中进行，既避免了学生产生错误认识，有利于揭示自感现象的本质，又操作方便。

自感现象演示实验的效果是否明显，关键在于电感线圈的选择。我们知道，线圈通、断电实验时灯泡逐渐变亮或逐渐变暗的过程实质上是电感线圈储存（通电瞬间）或释放（断电瞬间）磁场能的过程。在这个过程中，储存或释放的磁场能越大，实验现象就会越明显。根据可知，要使线圈能够储存或释放足够的磁场能，必须选用自感系数L较大、直流电阻很小的电感线圈。如在实验室中有几只可供选择的电感线圈，只需用万用表简单检测就可以选出合适的电感线圈。方法是：用万用表低电阻挡测量电感线圈的电阻。由于自感作用，表针会缓慢地达到稳定阻值。然后再去测量相同阻值的纯电阻，此时表针很快达到稳定阻值。选用两次时间差别越大的电感线圈做演示，效果就越明显。

在图2中，我们将线圈做成匝数较多的空心线圈，这样可以通过在空心线圈中插入铁芯来对实验现象进行比较，插入铁芯时灯泡延迟发光或延迟熄灭的时间会增长。既能使实验中自感现象更加明显，又便于说明不同的线圈产生自感磁通的能力不同，进而引入自感系数这一物理量。

在图2中，灯泡HL2支路两端并联了一个发光二极管VD，主要是利用其单向导电性。

第一，在做通电自感实验时，由于加在二极管两端的电压为反向电压，故二极管不导通，对通电自感现象实验不发生影响。

第二，在做断电自感实验时，由于在开关SA断开的瞬间线圈两端会产生自感电动势，该电动势加在二极管两端为正向电压，故二极管导通，一方面为放电电流提供通路，另一方面把灯泡HL2支路短接掉，减小了回路电阻，可以使断电自感实验的效果更加明显。

第三，采用发光二极管，可以用来显示自感电动势的方向。在做断电自感实验时，当开关SA断开瞬间，二极管会猛然闪亮一下而逐渐熄灭，这说明该瞬间二极管必定承受正向电压而导通，而此时加在二极管两端的电压只有自感电动势。自感电流的方向与自感电动势的方向一致，这就可以确定自感电动势的方向。这样，在观察自感现象的同时，根据二极管是否发光来判断出电路中电流的方向，从而确定自感电动势的方向，为我们揭示自感现象的实质提供直观的感性依据。

为了使实验现象更加明显，我们还可以考虑用测电笔中的氖管代替小灯泡，线圈采用日光灯的镇流器。为了能更清晰地显示自感电动势的方向，我们还可以考虑在灯泡HL1支路中串联接入一个检流计，根据检流计的偏转方向来显示自感电动势的方向。

参考文献：

[1]安忠，刘炳.中学物理实验研究[M].北京：高等教育出版社，1986.

（作者单位：三门峡市高级技工学校）endprint

摘 要：本文结合现行《物理》《电工学》教材中自感现象演示实验电路，详细分析了实验电路存在的不足。同时，针对存在的不足提出了相应的改进措施，并对改进后的实验电路进行了较为详细的实验分析。

关键词：自感现象 实验 改进

自感现象是由于通过线圈自身的电流发生变化而在线圈中引起的电磁感应现象。自感理论是电磁学中的重要理论，自感现象在电工领域应用十分广泛。这部分内容比较抽象，单靠理论分析讲解，学生难以理解，不容易接受，是教学中的难点。为此，在教学过程中，教师需要通过做好演示实验来增加学生的直观认识，帮助学生更好地理解和掌握自感现象的本质，从而实现难点突破，有效地达到教学目的。

在很多《物理》《电工基础（电类）》《电工学（机械类）》教材中，大多采用以下两个实验电路来演示自感现象。

图1（a）用于演示开关SA闭合时的自感现象。图中HL1和HL2是两个规格完全相同的电灯泡，通过调节可变电阻R，可以使两个灯泡的亮度一样。在闭合开关SA的瞬间，能够观察到灯泡HL2立刻达到正常亮度，而灯泡HL1会延迟一会逐渐变亮，最后两个灯泡达到同样亮度。图1（b）用于演示开关SA断开时的自感现象。先闭合开关SA，灯泡HL正常发光后，再突然断开开关SA，可以观察到灯泡HL会猛然闪亮一下，然后再逐渐熄灭。

一、实验电路存在的不足

在实际教学过程中，我们发现上述实验电路存在一些不足。

第一，通、断电自感实验分别放在两套实验装置中进行，容易使学生误认为通、断电自感现象是发生在不同的电路中，形成图1（a）中无断电自感现象、图1（b）中无通电自感现象的错觉，从而掩盖了自感现象的本质。同时，通、断电实验放在两套实验装置中进行，操作也相对比较麻烦。

第二，在教学实践中，很多教师做这两个演示实验时，自感现象往往不够明显。表现在通电时灯泡HL1逐渐变亮的时间过程太短，断电时灯泡HL没有瞬时亮度加强的明显现象，而后逐渐熄灭的时间过程也太短。

第三，这两个演示实验都是通过灯泡的亮度变化来体现自感现象的，但灯泡的亮度变化不能反映自感电动势的方向。我们做自感现象演示实验的目的，不仅是为了引入自感的概念，更重要的是为揭示自感的实质提供直观的感性依据。

二、改进措施与实验分析

1.改进的实验电路

通过改进采用如图2所示实验电路。

2.实验分析

（1）当合上开关SA时，二极管VD因为加反向电压而处于截止状态，不导通。通过电感线圈与灯泡HL1串联电路的电流，要发生从无到有的变化，穿过线圈的磁通也随之增大，这样在线圈中因为电磁感应而产生感应电流。根据楞次定律，此时感应电流要阻碍线圈中原电流的增大，因此，灯泡HL1会延迟一会逐渐变亮。对于灯泡HL2支路，由于串联的是线性电阻R，不会发生上述电磁感应现象，所以灯泡HL2在接通电源后立即正常发光。可见，此时图2与图1（a）在实质上是一样的，其实验结果一致。

（2）当断开开关SA时，通过线圈的电流突然减小，穿过线圈的磁通量也突然减少，在线圈中必然要产生一个很大的自感电动势以阻碍原电流的减小。虽然这时电源已被切断，但感应电动势加在二极管VD两端使其导通，线圈与灯泡HL1通过二极管形成闭合回路。在这个回路中有较大的感应电流通过，所以灯泡会猛然闪亮一下再逐渐熄灭。但灯泡HL2支路不会发生上述电磁感应现象，且在此过程中相当于被短接（二极管正向导通时电阻很小），因此在断开电源后立即熄灭。这与图1（b）的实验结果一致。

可见，改进后的实验电路可以将通、断电自感实验放在同一套装置中进行，既避免了学生产生错误认识，有利于揭示自感现象的本质，又操作方便。

自感现象演示实验的效果是否明显，关键在于电感线圈的选择。我们知道，线圈通、断电实验时灯泡逐渐变亮或逐渐变暗的过程实质上是电感线圈储存（通电瞬间）或释放（断电瞬间）磁场能的过程。在这个过程中，储存或释放的磁场能越大，实验现象就会越明显。根据可知，要使线圈能够储存或释放足够的磁场能，必须选用自感系数L较大、直流电阻很小的电感线圈。如在实验室中有几只可供选择的电感线圈，只需用万用表简单检测就可以选出合适的电感线圈。方法是：用万用表低电阻挡测量电感线圈的电阻。由于自感作用，表针会缓慢地达到稳定阻值。然后再去测量相同阻值的纯电阻，此时表针很快达到稳定阻值。选用两次时间差别越大的电感线圈做演示，效果就越明显。

在图2中，我们将线圈做成匝数较多的空心线圈，这样可以通过在空心线圈中插入铁芯来对实验现象进行比较，插入铁芯时灯泡延迟发光或延迟熄灭的时间会增长。既能使实验中自感现象更加明显，又便于说明不同的线圈产生自感磁通的能力不同，进而引入自感系数这一物理量。

在图2中，灯泡HL2支路两端并联了一个发光二极管VD，主要是利用其单向导电性。

第一，在做通电自感实验时，由于加在二极管两端的电压为反向电压，故二极管不导通，对通电自感现象实验不发生影响。

第二，在做断电自感实验时，由于在开关SA断开的瞬间线圈两端会产生自感电动势，该电动势加在二极管两端为正向电压，故二极管导通，一方面为放电电流提供通路，另一方面把灯泡HL2支路短接掉，减小了回路电阻，可以使断电自感实验的效果更加明显。

第三，采用发光二极管，可以用来显示自感电动势的方向。在做断电自感实验时，当开关SA断开瞬间，二极管会猛然闪亮一下而逐渐熄灭，这说明该瞬间二极管必定承受正向电压而导通，而此时加在二极管两端的电压只有自感电动势。自感电流的方向与自感电动势的方向一致，这就可以确定自感电动势的方向。这样，在观察自感现象的同时，根据二极管是否发光来判断出电路中电流的方向，从而确定自感电动势的方向，为我们揭示自感现象的实质提供直观的感性依据。

为了使实验现象更加明显，我们还可以考虑用测电笔中的氖管代替小灯泡，线圈采用日光灯的镇流器。为了能更清晰地显示自感电动势的方向，我们还可以考虑在灯泡HL1支路中串联接入一个检流计，根据检流计的偏转方向来显示自感电动势的方向。

参考文献：

[1]安忠，刘炳.中学物理实验研究[M].北京：高等教育出版社，1986.

（作者单位：三门峡市高级技工学校）endprint