用图象法探究自感现象

胡甜

在人教版高中物理选修3-2第四章第六节《自感和互感》这节课中，教师一般是通过演示实验，使学生认识自感与互感现象，掌握自感和互感的产生原因，培养学生观察的能力和学习的兴趣.本节课是电磁感应的最后一节，前面已经解决了感应电流的产生条件、感应电流的方向判断（楞次定律）和感应电动势的大小计算（法拉第电磁感应定律）三大问题，而自感和互感现象是感应电流和感应电动势的认识提升，并且互感和自感的知识还要为下一章的变压器和感抗的学习做必不可少的铺垫.因此，扎实的知识基础加上有趣而科学的实验设计可以帮助学生更有效地掌握本节课.而断电自感现象中，灯泡突然闪亮一下的原因分析是教学中的难点.

对于学习了一年多物理的高中生而言，虽然抽象逻辑思维在个体智力发展中开始占优势，但在很大程度上，逻辑思维还需要经验支持，因此从小小的实验现象引入概念，能够更为有效的让学生理解和应用科学概念.同时，高中生兴趣爱好日益广泛，求知欲与好奇心强烈，对学习和科技活动有极大的兴趣和爱好，所以新奇的实验仪器和巧妙的实验数据更能抓住学生的注意力，使其真正融入到整堂课的学习互动中，使学生对物理的兴趣变得更加浓厚，适当地调节着学生的学习情绪，使学生能主动参与探究，善于和同学合作，学会探究未知问题的方法.

为此，教师在讲解自感现象时，设置了理论分析、定性实验和定量测量三个活动，力求通过学生充分的观察和比较，培养学生的主动思维意识.通常的自制教具为定性实验，只能大致的看到小灯泡的亮暗变化，用于突破教学重、难点还不够精确，因此在用小灯泡定性研究感应电流的变化情况的同时，教师可以采用电流传感器来精密测量电流的变化过程.当然，电流传感器本身内部也有一些元件会影响测量效果，这样更能促使学生课后研究误差的产生原因.

1 通电自感实验设计

如图1电路中，两个小灯泡A1、A2的规格相同.A1与线圈L串联，A2与可变电阻串联后接到电源上.先闭合开关，调节电阻R，使两灯亮度大致相同；再调节可变电阻R1，使其均发光，然后断开开关S.重新接通开关S，观察闭合S瞬间两灯的发光情况.

实验现象为：A2先亮，A1后亮，最后都亮.教师鼓励学生尝试画出闭合开关后两灯的电流i1和i2随时间的大致变化图象，如图2所示.大部分学生都能画出图象并进行解释：当线圈中 的电流从无到有时，由于变化的电流在空间产生变化的磁场，导致线圈在电路中起阻碍作用的不仅仅是电阻，还产生了“增反”的阻碍电流变化的作用，所以开关闭合后小段时间内流过A1的电流小于流过A2的电流，A1滞后于A2亮起来.但是这种阻碍作用不是阻止，线圈中的电流仍然要增大，而且当电流增到最大时，这种阻碍就消失了，所以最后两灯亮度相同.教师此时点明这种阻碍作用的本质：感应电动势在阻碍原磁通变化，即自感电动势起到了阻碍电流变化的作用.那能不能精确测量出两个小灯泡中的电流随时间的变化情况呢？

然后定量实验，如图3用DIS系统中的电流传感器同时测量A1和A2中的电流，图4为为实验结果，和学生的预测分析相似.观察现象到质疑再改进仪器过渡到DIS精确测量，激发学生的学习积极性和对现代科技的膜拜.

2 断电自感实验设计

如图5电路中，先闭合开关使小灯泡发光，然后断开开关，注意观察开关断开时A灯的亮度.实验现象为：A灯会闪一下再熄灭.教师可以引导学生进行讨论：尝试画出A灯的电流随时间的变化情况，并思考：A灯为什么闪？A灯闪一下再熄灭的条件是什么？学生经过讨论，全班有三种典型的结果（如图6）.接着，鼓励学生用定量实验验证自己的猜想，借助DIS系统中的电流传感器测量A灯中的电流随时间的变化情況，如图7.

电路中的电流减小，线圈中产生与原电流同向的自感电动势，阻碍电流减小.切断电源后，线圈内有自感电动势对灯泡继续供电，使通过线圈与灯泡组成的回路电流慢慢减小，所以造成灯泡又亮了一会儿才熄灭，而且灯泡中流过电流的方向与原来相反.A灯闪一下再熄灭的条件是开关闭合时流过线圈的电

流iL大于流过灯泡的电流iA，即线圈的直流电阻RL

在探究自感和互感的过程中，采用传感器的方法精确测出电流的情况有两个好处：第一，让学生深层次体会感应电流对原电流的影响，证实自感电动势的存在；第二，明确线圈中的总电流随时间的变化率（i-t图的斜率）的变化情况.这些是传统的定性试验做不到的，电流传感器的微小量程决定了线圈电流的可测性.

课后反思 （1）为了引入DIS电流传感器测电流，在传统实验示教板的基础上，加了三对导线连接口用来测自感现象中各路电流的变化情况.这样一来，学生对于灯泡的亮暗情况更清晰和透彻.但是实验过程中，断路自感的电流图象更接近理想情况，通路自感的电流图象和理想情况差距较大，电流在到达稳定状态之前存在一个最大值.反复实验，猜想可能的原因是电流传感器本身内部也含有线圈，从而导致本支路的电流存在过度增大而来不及阻碍的可能，此原因仅供参考.（2）自制教具中背景和导线的颜色没有很好地采用对比色，导致后排学生不停地站起来观察现象，今后会进一步改进好.