巧设实验，提升思维，促进运用——浅析“电感和电容对交变电流的影响”实验设计

冀 林 周颖洁

（1.江苏省常州高级中学，江苏 常州 213000；2常州市田家炳高级中学，江苏 常州 213000）

“电感和电容对交变电流的影响”是人教版物理选修3-2第5章“交变电流”中第3节的内容.本节课的知识目标是形成对电感和电容的4句话认识，即“通直流，阻交流”、“通低频，阻高频”、“通交流，隔直流”、“通高频，阻低频”.如何让学生真正理解进而到达应用层次，一直是本节课比较难以解决的问题.如果能有比较好的实验铺垫，在实验现象的基础上进行总结归纳，无疑是非常理想的一种教学方式.下面就结合这节课的若干实验设计，对以实验为主的教学方式做初步的探讨.

1 电感和电容对直流与交变电流的影响比较

演示实验1.电感对直流、交变电流的影响.

实验目的：（1）比较直流和交流电压相同时，小灯泡的亮暗情况.（2）比较有无电感时，小灯泡的亮暗情况.

实验仪器：4V直流电源；4V交流电源；小灯泡（3.8V，0.3A）；电感器（带闭合铁芯的线圈）；开关两只；导线若干.

图1

实验电路：如图1所示.

实验现象：加直流电时，有、无电感情况下，小灯泡亮度几乎不变；加交变电流时，无电感情况下小灯泡亮，有电感情况下小灯泡很暗.

总结规律：（1）电感对恒定电流的阻碍作用小；（2）电感对交变电流的阻碍作用大.

演示实验2.电容对直流、交变电流的影响.

实验目的：（1）比较直流和交流电压相同时，小灯泡的亮暗情况.（2）比较有无电容时，小灯泡的亮暗情况.

图2

实验仪器：4V直流电源；4V交流电源；小灯泡（3.8V，0.5A）；电容器（470μF）；开关；导线若干.

实验电路：如图2所示.

实验现象：加直流电时，有电容情况下灯泡不亮，无电容情况下灯泡亮；加交变电流时，无电容情况下灯泡亮，有电容情况下灯泡较暗.

总结规律：（1）直流电不能够通过电容（隔直流）；（2）交变电流能“通过”电容；（3）电容对交变电流有阻碍作用.

设计意图：通过直流、交变电流的比较，回顾复习电感和电容在直流电中的作用，初步认识电感和电容在交流电路中的阻碍作用.为接下来讨论两者在交流电路中的作用进行铺垫.

2 影响电感和电容对交变电流阻碍作用的因素

分组实验1.电感大小对灯泡亮暗程度的影响.

实验目的：探究电感大小对交变电流的阻碍能力.

实验仪器：4V交流电源；小灯泡（3.8V，0.3A）；开关；电感器（带闭合铁芯可变匝数的线圈）；导线若干.

实验电路：如图3所示.

实验现象及结论：见表1.

图3

表1

分组实验2.电容大小对灯泡亮暗程度的影响.

实验目的：探究电容大小对交变电流的阻碍能力.

实验仪器：4V交流电源；小灯泡（3.8V，0.3A）；开关；电容器（470μF、1000μF各1个）；导线若干.

实验电路：如图4所示.

实验现象及结论：见表2.

图4

表2

设计意图：通过分组实验，培养学生实验能力，探究电感、电容大小对阻碍交变电流通过能力的影响.在表格中多列一项其他影响因素的猜想，启发学生联系所学知识，进一步思考，提升思维品质.

演示实验3.交变电流频率高低对灯泡亮暗程度的影响.

实验目的：探究频率对电感和电容阻碍交变电流能力的影响.

实验仪器：信号发生器（输出电压可调、频率可调的正弦交变电流）；小灯泡（3.8V，0.3A）；开关；电感器（无铁芯线圈）；电容器（1000μF）；导线若干.

实验电路：同图3、图4.

实验现象：（1）对于电感，频率高时灯泡暗，频率低时灯泡亮；（2）对于电容，频率高时灯泡亮，频率低时灯泡稍暗.

总结规律：（1）频率越高，电感的阻碍作用越强，电容的阻碍作用越弱；频率越低，电感的阻碍作用越弱，电容的阻碍作用越强.

（2）大量的实验和数学推导表明，可用以下2个式子反映电感和电容对交变电流阻碍能力的大小，分别称之为“感抗”和“容抗”.

设计意图：由于仪器条件的限制，改变交变电流频率的实验只能由教师进行演示.感抗和容抗的表达式是课本没有给出的，但笔者认为有了这2个表达式可以从理论上更好地支持实验现象，并为应用规律分析问题做好理论支撑.

3 电感器和电容器在交流电路中的作用

演示实验4.对比两种电感在交变电流频率高低情况下的灯泡亮暗.

实验目的：实验与理论相结合，得出电感器的作用.

图5

实验仪器：信号发生器（输出电压可调、频率可调的正弦交变电流）；小灯泡2只（3.8V，0.3A）；开关；导线若干；电感器L1（无铁芯匝数少线圈，电感较小；电感器L2（有闭合铁芯匝数多线圈，电感较大）.

实验电路：如图5所示.

实验现象：见表3.

表3

实验结论：电感器的两类作用为“通直流，阻交流”、“通低频，阻高频”.

图6

演示实验5.对比两种电容在交变电流频率高低情况下的灯泡亮暗.

实验目的：实验与理论相结合，得出电容器的作用.

实验仪器：信号发生器（输出电压可调、频率可调的正弦交变电流）；小灯泡2只（3.8V，0.3A）；开关；导线若干；电容器C1（3300μF）；电容器C2（4.7μF）

实验电路：如图6所示.

实验现象：见表4.

表4

实验结论：电容器的两类作用为“通交流，隔直流”；“通高频，阻低频”.

设计意图：上面4句话结论虽然可以根据理论公式进行分析得出，但很难给学生留下深刻印象.借助于这两个对比实验，可以很清晰地通过实验现象，结合理论公式进行理解.低频扼流圈、高频扼流圈、高频旁路电容的概念就能很自然地让学生接受.

4 电感器和电容器的应用实例

问题：当上一级同时输入高频、低频两种信号，要使下一级仅输出高频或低频信号，应该在电路上加怎样的电容或电感实现效果.试完成图7空白区域的电路设计.

图7

解决步骤1：结合理论，提出以下解决方案.如图8、9、10所示.

图8

图9

图10

解决步骤2：设计实验，检验方案是否可行.

（1）相关设备：电脑（音频信号）；功放（放大音频信号）；音箱（播放音频信号）；电感（无铁芯小线圈）；电容（4.7μF，2200μF各1个）；导线若干.

（2）电路结构：如图11所示.

（3）实验现象：通过在输出端之前加3种过滤电路（如图8、9、10中虚线框中所示），与未经处理的音频信号相比较，能够清晰地听出高频或低频信号被过滤后的效果.

图11

设计意图：以设计性实验的方式创设物理情境，对学生的思维能力要求较高，将本节课的难度提升到超过教学要求的层次.但正是通过具体实例进行演示，真正体现了物理学规律的重要价值之一——推动科技的发展.因此，笔者认为该实验的成功设计与演示是本节课的精华所在.

5 总结

以上4部分实验设计围绕着电感和电容在电路中的影响展开，通过大量实验现象的对比，有效地化解了知识理解中的难点，使得规律易于接受和掌握.与此同时，通过设计性实验，将理论与实际运用相结合，调动了学生的学习热情和思维水平，达到了三维目标的要求.

1 曹会，张飞.巧设实验主线凸显学科教学的“物理味”——“探究感应电流产生的条件”展示课回眸［J］.物理教师，2013（2）：34-35，37.