《自感》教学设计的改进

陈绪文

【摘要】本文分析研究了《自感》教学设计的改进。

【关键词】《自感》 教学设计 改进

【中图分类号】G633.7 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2019）33-0188-02

一、教材中的问题

1.自感通电演示实验

实验现象：灯A1总比灯A2滞后一段时间才亮。

实验说明：

2.自感断电演示实验

实验现象：灯A闪亮一下，在缓慢熄灭。

实验说明：当电路断开时，通过线圈的电流要减少，由法拉第电磁感应定律和楞次定律可知，线圈中要产生一个感应电动势，且感应电动势的方向与减少的电流方向相同。由于电源支路已处于断开状态，所以这个逐渐减小的强电流要反向通过灯A，故灯泡要闪亮一下。

3.问题

①教材中的实验不能定量显示電流的大小，仅仅通过灯泡的明暗来判断电流的大小，理论上可行。但暂态时间太短，效果不明显。

②本实验致命伤在于电流的方向不明确。通过楞次定律的学习，来解释演示实验，更像是验证性实验，失去了探究的意义。

③本实验的操作需要教师把电源、电阻、线圈自感系数、灯泡功率配比好。特别是断电实验容易把灯泡损坏或者现象不明显。

二、传统实验

1.通电演示

电路电源接入10V直流电，灯泡更改成发光二极管。二极管具有单向导电性，可以让学生了解电流的方向。在接通瞬间，与线圈相联的二极管会慢慢亮起来。对比与变阻器相联的二极管，现象明显。

2.断电演示

电路在4V直流状态下接通，二极管由于单向导电性，不亮（不接通）。当断开瞬间，由于自感，二极管会闪一下，再慢慢熄灭。

3.问题

①传统实验器材对教材实验进行了改进，灯泡换成发光二极管。使得对电流方向的探究更加明确了。但是，通过小灯泡的亮暗变化来描述电流瞬时变化，暂态时间太短，达不到预期的实验目的。即使灯泡显示渐变现象，也只是粗略地表征电路中电流的变化情况。

②特别是在断开演示时，学生会产生两个误区：

a.学生对二极管闪亮印象深刻，会认为线圈中自感电动势产生与原来电流的方向相同的电流。因此，电路中实际电流是二者之和，电流会变大。

b.自感电动势不会超过原电路的电动势。

三、运用DIS实验进行探究

1.DIS实验优势

①传感器、数据采集器、实验软件包、计算机构成新型实验系统。

②成功克服传统物理仪器的诸多弊端。有力的支持了信息技术和物理教学的全面整合。

③自感实验现象的暂态特征突出，对观察和分析手段的要求很高。

2.自感实验设计的改进

①按照实验装置图连接电路（上图），将毫安电流传感器和电压传感器接入数据采集器，然后将采集器与计算机连接。

②打开实验软件，分别对毫安电流传感器和电压传感器进行短接校准。

③实验时间选择10s，采集时间间隔1.25ms。通过K1闭合、断开，采集数据。

④实验结果

K1闭合时，电感中的电流逐渐增大到最大值，电阻两端的电压立即增大到最大值。K1断开时，电感中的电流减小到0，电阻两端的电压瞬间达到反向最大值，然后逐渐减小到0。

⑤自感的数据分析研究

a.由法拉第电磁感应定律可知：E∞

b.实验表明，磁场的强弱正比于电流的强弱。也就是说：E∞L

c.Ι-t图像可以看出，在整个变化过程中，电流的方向没有变化。但是，ΔΙ/Δt（电流的变化率）在闭合和断开瞬间都是减小的，最终为0。学生可以通过Ι-t图像的斜率k得到。可见，E自在减小，最终也为0，不再“阻碍”。在U-t图像中，学生可以发现，在开关断开瞬间，Uab<0。（讨论：电流的方向没有发生变化，而Uab由正→负的原因）

d.I自≤I原，而学生认为灯泡闪一下，自感电流增大了，这是错误的认识。通过Ι-t图像可以看出。在有些电路中，流过灯泡的电流的确增大了，但不一定是I自增大。以右图为例，S闭合，如果IA≤IL（RA≥RL），当断开S，那么灯泡A就会闪亮一下再缓慢熄灭。反之，则缓慢熄灭。

e.E自≤E原？首先U-t图像中，U不是E自，是ab端的电压。U的大小不表征自感电动势的大小。根据闭合电路欧姆定律E自=I自R，当R足够大，E自可以大于E原。其次，根据E=L得，当自感系数L足够大，自感电动势可以很大。日光灯的工作原理就是如此。