自感现象的创新实验设计

游峰

【教学过程】

1 引入新课

师：我们先来玩一个小游戏，这里有一节干电池，我直接用手指按住电池的正负极，会不会触电？

生：不会.

师：肯定不会，是吧.现在我把它改装一下，我这个游戏叫做“千人震”，就是让很多人体验一下“震”的感觉，或者说，有个“触电的感觉”.这个装置，仍然只用一节干电池.一个支路连上一个线圈相连，另外一个支路，就需要同学们参与一下，谁愿意主动上来体验一下？

演示：准备好了没有？我要合上开关了，没事（突然断开，学生一震）

2 自感

师：刚才这个游戏中，产生触电感觉的电流是谁提供的呢？

生：线圈

师：电池本身不会让人触电，这个线圈很神奇啊，它让我联想到了法拉第的线圈.法拉第的线圈神奇的地方在于发现了电磁感应现象.请个同学回顾一下以前学过的内容.如图1，闭合开关S，B线圈中会产生感应电动势（电流）吗？如果有，方向如何？

生：会，感应电流的磁场与原磁场方向相反，用来阻碍原磁通量的变化.

【演板】黑板上画出原磁场与感应磁场

师：先判断原磁场的方向，在通电瞬间是增强的，感应电流的磁场与之反向.按照安培定则，判断感应电流的方向.

师：我们刚才游戏中的线圈只有一个，干脆把B线圈去掉，结合刚才触电的现象，大家想想，A线圈自身上会发生电磁感应现象吗？即在A线圈自身上能产生感应电动势吗？

生：会，或者不会

师：如果会的话，会有什么情况发生？（若学生回答不会，就引导，万一会呢？）

生：阻碍A的变化（师补充完整：这个感应电动势的效果是阻碍原电流的变化）

【设想1-通电自感】通电时，线圈会阻碍自身电流变化，电流是“慢慢增强”.

【设计实验】将灯泡与线圈串联，通过灯泡亮度的变化来反应电流的变化.

步骤1：电流慢慢增大的效果是：灯泡慢慢变亮（效果不明显）（自感现象演示仪，只露出一个支路）

是根本没有我们预想的效果出现呢？还是效果不明显呢？

师：我们在研究问题时，不能粗略的判断后就放弃自己的设想，是不是应该更加充分的考虑后面这一种情况啊？有可能是“快慢”的视觉效果不明显？

步骤2：直接看，视觉效果不明显.怎么办？对比！我们说某人跑得快，说不清楚，找个速度不慢的对比一下就可以了.我们可以再加一个支路与之对比.图3（撕开报纸隐藏的支路）

观察结果：与R串联的灯泡直接变亮；与线圈串联的灯泡延后发光（说明设想合理）

【提问】与线圈相连的灯泡为什么要过一会才亮？（用哪个原理可以解释）

解释 在接通电路的瞬间，电路中的电流增大，穿过线圈L的磁通量也随之增大，因而线圈中必然会产生感应电动势，这个感应电动势对应的感应电流阻碍线圈中电流的增大，所以通过A2的电流只能逐渐增大，灯泡A2只能逐渐亮起来.

师：如果我将这个电路的开关断开，大家猜猜会发生什么现象？

生：电流不会马上消失，而是慢慢变小.A1、A2的熄灭时间会延后

师补充：电源给A1提供的电流直接没有了，与A2串联的线圈会让电流逐渐衰减，与A1形成一个回路，会让A1、A2一起慢慢熄灭.

【设想2-断电自感】断电时，线圈会阻碍自身电流变化，电流会“慢慢变弱”.

步骤1：灯泡慢慢变暗（效果不明显，基本看不出来）

猜测原因：时间太短，难以区分（同学们思考讨论一下，可以如何改进）

步骤2：【实验设计】学生可能会提出的方案

方案一：把A1换成电流表

思路：通过电流表来观察电流是否逐渐变小（图4）

（结果：电流表“反应太慢”，无法显示）

方案二：将灯泡A1换成二极管，二极管具有单向导电性，判断L中是否有电流通过二极管（图5）；

思路 断开时，如果L中电流是逐渐减小，这个电流通过上方的“二极管”，“二极管”会闪一下.

【提问】：断开电键，通过上方的“二极管”的电流会沿着什么方向？接“二极管”时正负极应怎样连接？

解释 在电路断开的瞬间，通过线圈的电流突然减弱，穿过线圈的磁通量也就很快减少，因而在线圈中产生感应电动势.虽然这时电源已经断开，但线圈L和上方支路组成了闭合电路，上方支路中有反向电流通过，二极管的正负极应与原电源正负极反向.由于二极管的单向导电性，断电之前不发光，断电之后二极管会闪一下再熄灭.

方案三：干路中接入A3（图6），观察A3熄灭时间是不是比A1、A2延后

（结果：电流持续时间太短，无法显示）

方案四：电流一大（IL）一小（IA），从亮度上判断是否有反向电流通过A

（1）把灯泡A和带铁芯 的线圈L并联在直流电路中.

（2）接通电路，待灯泡正常发光，断开电路.

现象：S断开时，A 灯突然闪亮一下才熄灭.

解释 在电路断开的瞬间，通过线圈的电流突然减弱，穿过线圈的磁通量也就很快减少，因而在线圈中产生感应电动势.虽然这时电源已经断开，但线圈L和灯泡A组成了闭合电路，在这个电路中有感应电流通过，并且因为IL> IA，所以灯泡会闪一下再熄灭.

师：大家有没有觉得这个电路很眼熟呢？跟“千人震”的电路结构完全相同，你们就是电路中与线圈并联的灯泡啊！

方案五：将灯泡换成电流传感器，用图象更清楚的说明电流的变化（图8）

【传感器演示实验-通电自感与断电自感】通电时，相比IR，IL逐渐增大，曲线逐渐平缓.断电时，IL逐渐减小，曲线逐渐平缓；同时，IR突然反向，然后随IL逐渐减小，曲线逐渐平缓（图9）.

方案六：A2前面加线圈（很难有明显现象）

让学生同时展开几个实验进行观察，然后说明元件的工作原理并解释现象

归纳：

通电自感：有线圈的电路电流只能逐渐增大

断电自感：有线圈的电路电流只能逐渐减小

特征：有线圈的电路电流不能发生突变

总结：自感现象

1.由于导体本身的电流发生变化而产生的电磁感应现象，叫自感现象.

2.自感现象中产生的电动势叫自感电动势.

自感电动势的作用：阻碍导体中原来的电流变化.

注意 “阻碍”不是“阻止”，即对电流的变化起延迟作用.电流原来怎么变化还是怎么变，只是变化变慢了.（而且这个变化率——斜率是在变小，越往后曲线逐渐平缓）

（由于实验所占时间比较长，到此基本上40分钟就结束了.后面的内容，可以作为课后作业，让学生自己阅读思考）