电感和电容对交变电流影响实验的改进

卢亚军，曾庆河，张轶炳

(宁夏大学 物理与电子电气工程学院，宁夏 银川750021)

“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章第3节的内容[1]，教材的电感实验，若带铁芯的线圈感抗较小，灯泡的亮度差别不大，学生难以对比，且先后2次操作实验，学生只能凭印象对比，效果不够理想. 同时传统实验无法演示出自感系数不同的电感线圈对交变电流的影响情况. 教材的电容实验，只能演示出电容器“隔直流，通交流”的作用，无法演示电容大小不同的电容器对交变电流的影响规律. 文献[2-3]对实验改进，改进后虽然能看出灯泡亮度的变化，但实验前后灯泡的亮度用眼睛观察，且没有专门的演示实验板，教师需多次连接电路. 针对以上情况，本文设计了改进实验并自制演示实验板[4]，既能弥补演示实验现象不明显的缺陷，又能提高课堂效率.

1 实验改进思路

将电感实验和电容实验电路制作在同一实验板上，通过切换开关做不同类型的实验，改进实验原理如图1所示. 同时在实验板上增加了对照灯，即直接并联到电源上的灯泡. 对比实验灯所在支路接入电感或电容时实验灯的亮度和对照灯的亮度，这样可以将教材实验中灯泡前后对照转换为2盏灯的实时对照，由此让学生直接观察接入电容或电感对电路中电流的影响. 在电路中设计2只电容大小不同的电容器，既能说明电容对交变电流的影响，也可以对比电容大小不同的电容器对交变电流的影响. 同样设置2个电感线圈，既可以说明电感对电流的影响，又能说明自感系数不同的电感线圈对交变电流的影响. 在进行实验时，利用光照度传感器或智能手机记录灯泡的光照度，能够更加直观地展示小灯泡亮度的变化.

图1 改进实验原理图

实验设计说明：在进行电容实验时，两电容器的电容值分别为C1=1 000 μF,C2=3 300 μF，可对比电容大小不同的电容器对交流电的影响. 在进行电感实验时，两自制电感线圈L1和L2均为100匝，但L2带有铁芯，可对比自感系数不同的电感对直流电、交流电的影响. 保证两线圈的匝数相等可以消除线圈的匝数及自身的电阻对实验的影响.

采用智能手机辅助完成数据采集. 在智能手机上安装Phyphox应用软件，打开应用后选择光传感器，将有2种数据显示方式：一种是图表，可以记录一段时间光传感器测得的光照度随时间的变化；另一种是简明值，可以实时显示光传感器所测得的光照度数值. 在本实验中选择了简明值显示方式.

2 实验方法

实验过程中每种情况下测3组光照度，用3次测量值的平均值代替小灯泡在不同情况下的光照度.

2.1 电容对直流电、交流电的影响实验

在自制演示实验板的电源接口处分别用学生电源接4 V直流电和交流电，通过开关控制实验灯不串联任何元件(闭合S2)、分别与C1和C2串联(单刀双掷开关S3闭合至a或b端)，观察实验现象并且用手机记录实验灯和对照灯在不同条件下的光照度.

接4 V直流电，实验灯不串联元件，两灯亮度基本一致；当实验灯与C1或C2串联时，实验灯均不发光，对照灯亮度无变化.

接4 V交流电，实验灯不串联元件，两灯亮度基本一致；当实验灯与C1串联时，实验灯亮度降低；当实验灯与C2串联时，实验灯亮度有所增加，但依然比对照灯暗.

“电容对直流电、交流电的影响”实验测量结果如表1所示.

表1 “电容对直流电、交流电的影响”实验数据

接直流电，实验灯与电容C1或C2串联，均不发光，说明直流电不能通过电容器，即电容器具有“隔直流”的作用.

接交流电，实验灯与电容C1或C2串联均发光，但亮度都低于对照灯，说明电容器对交流电具有阻碍作用；与C2串联时实验灯更亮，说明电容器的电容越大，对交流电的阻碍越小.

实验结论：直流电不能通过电容器，电容器对交流电具有阻碍作用，且电容越大，对交流电的阻碍越小.

2.2 电感对直流电、交流电的影响实验

在自制演示实验板电源接口处分别用学生电源接4 V直流电和交流电，通过开关控制实验灯不串联任何元件(闭合S2)、分别与电感线圈L1和L2串联(单刀双掷开关S4闭合至a或b端)，观察实验现象并记录实验灯和对照灯在不同条件下的光照度.

接4 V直流电，实验灯不串联任何元件时，两灯亮度基本相同；实验灯与电感L1串联时，实验灯较暗；实验灯与电感L2串联时，两灯亮度基本无变化.

接4 V交流电，实验灯不串联任何元件时，两灯亮度相同；实验灯与电感L1串联时，实验灯亮度降低；实验灯与电感L2串联，实验灯亮度更低.

“电感对直流电、交流电的影响”实验测量结果如表2所示.

表2 “电感对直流电、交流电的影响”实验数据

接直流电，实验灯与电感线圈L1串联时，实验灯亮度较低，理论上电感线圈对直流电无影响，因此可以猜想该情况是由线圈的电阻所引起；当实验灯与电感线圈L2串联时，实验灯依然暗于对照灯，且通过对比2次实验灯的发光情况可知，实验灯与L1或L2串联后亮度降低程度相同，因此通过实验灯与L2串联可以证明实验灯亮度的变化由电感线圈的电阻引起，所以电感对直流电无影响.

接交流电，实验灯与L1或L2串联时亮度均低于对照灯，且串联线圈L1时实验灯与对照灯的亮度相差317.0 lx，大于接直流电时两灯亮度相差103.2 lx，说明除电阻外电感对交流电也具有阻碍作用. 实验灯与有铁芯的L2串联时，所测得实验灯的光照度更低，说明线圈的自感系数越大，对交流电的阻碍越大.

实验结论：电感对直流电没有影响；电感对交流电具有阻碍作用，且线圈的自感系数越大，对交流电的阻碍作用越大.

3 结束语

通过对教材实验的改进，自制演示实验板可清晰地演示“电感和电容对交变电流的影响”实验，且自制演示实验板操作方便，提高课堂的实验效率，同时由手机测光照度，学生能更加直观地看出灯泡亮度的变化. 利用改进实验教学，在课堂演示中不仅能够培养学生的观察能力，而且能够培养学的逻辑思维能力，如在分析电感对直流电的影响时，通过前后2次对比学生能够分析出实验灯亮度变化是由线圈的电阻引起的. 有条件的学校可直接在该演示实验板电源接口处利用变频电源或低频信号发生器[5]提供高频交流电，向学生演示电感和电容对不同频率交变电流的影响情况，以弥补本文中没有进行高频交变电流实验的不足.