论文部分内容阅读
随着经济的发展，传感器被广泛应用，各地也在不断建立数字化实验室，在研究自感现象时，已不能局限于观察小灯泡的亮度变化。通过电流传感器在电路中的使用，我们可以清楚地观察到，通过电阻或小灯泡的电流的大小和方向即时变化情况，从而可直观地知道电感线圈在通电和断电时在电路中所起的作用，清晰地观察到电路中的电流变化情况，这就为学生加深对自感现象的理解提供了一种很好的途径。
实验的准备
自感现象演示实验在高中物理教学中是一个必做的重要演示实验，传统的通电自感演示实验只能通过灯泡点亮的先后顺序说明线圈产生的自感电动势能阻碍电流的增加；传统的断电自感演示实验，通过小灯泡的闪亮一下后熄灭说明线圈产生的自感电动势能阻碍电流的减小，但无法描述即时电流的大小变化和方向变化，虽然后来对演示装置作了改进，在电路中应用了发光二极管，利用二极管的单向导电性来说明电流的方向，但仍无法确定即时电流的变化规律。基于传感器的计算机实时数据采集和基于计算机数据处理软件的计算机建模与图象分析等技术研发成功，很好地解决了这个问题；同时，学校数字化实验室的建立，为学生利用传感器探究自感现象提供了物质基础。
熟悉实验软件的操作和使用 由于学生很少接触数字化实验室，对朗威数字化信息实验室（DISLab）实验软件7.0版的认识和实验操作界面知之甚少，因此，在实验前让学生了解数字化实验室及其熟悉实验软件的操作和使用是确保实验成功的重要前提，对采集数据控制面板上数据传送通道、显示方式、采集控制、采样频率和图线控制等的使用和选择做到心中有数。
认识到电流传感器的作用 电流传感器的作用相当于一个电流表，但又不是电流表，它与电流表的一个重要区别在于，传感器与计算机的结合能够即时反映电流的迅速变化。如采用仪表显示方式，就是一个电流表；如采用数字显示方式，能直接得到瞬时电流值；如采用示波显示方式，能在屏幕上显示电流随时间变化的图象。本实验原理图中电流传感器就用电流表的符号表示，采用示波显示方式，采样频率选择200Hz。
探究通电线圈对电流的影响
实验操作 干电池两节，变压器（拆掉其中的一只线圈），定值电阻，电键，电流传感器，导线若干。按图一连接好电路，合上电键，观察到如图二电流-时间图象；把图一中的线圈换成电阻箱，按图三连接好电路，合上电键，观察到如图四电流——时间图象。
实验现象 没有线圈的电路中，电键合上时，流过电路的电流立即增大；在接有线圈的电路中，电键合上时，流过电路的电流逐渐增大。
实验现象分析 通过对这两个实验得到的现象分析，得到通电线圈产生的自感电动势有阻碍电流变化的作用。
探究断电自感现象
实验操作 干电池两节，电感盒（演示灯泡用），小灯泡，电键，电流传感器，导线若干。按图五连接好电路，合上电键，待电流稳定后，再断开电键，观察到如图六电流-时间图象。
实验现象 在电键合上时，流过小灯泡的电流立即增大后逐渐减小，电路稳定时，流过小灯泡的电流较小，灯泡不亮，在电键断开瞬间，通过小灯泡中的电流突然反向增大后又逐渐减小到零，观察到小灯泡闪亮一下后熄灭。
实验现象分析 在电键断开瞬间，灯泡与实际电源已断开，灯泡闪亮一下后才熄灭，说明了线圈充当了电源的角色，在流过线圈的电流从有到无变化时，线圈中产生了感应电动势，阻碍电流的减小，把原来储存的磁场能释放出来，转化为电能。
探究通电自感现象
实验操作 干电池四节，变压器（拆掉其中的一只线圈），两个规格相同小灯泡，电键，两个电流传感器（分别接入数据采集器通道1和通道2），电阻箱，导线若干按图七连接好电路，合上电键，调节电阻箱的阻值，使流过两灯泡的电流大小相等（或灯泡的亮度相同），断开电键。合上电键，待电流稳定后，再断开电键。
实验现象 我们可以观察到灯泡A1立即亮，灯泡A2慢慢亮，稳定时两灯泡的亮度相同，得到如图八所示的电流和时间的图象。
实验现象分析 在电键合上瞬间，灯泡A1中的电流立即增大，所以A1立即亮；灯泡A2中的电流为零，此时，线圈可等效成断路。线圈的存在延缓了电流的增大，因此看到灯泡A2慢慢变亮，与灯泡A1间存在明显的时间差，这在电流-时间图象上也有明显的体现。稳定后，两灯泡电流大小相等，此时线圈就等效为与电阻箱R阻值相同的电阻。电键断开时，线圈等效成电源，与两灯泡串联构成一个闭合回路，使线圈中的电流沿原方向从原稳定值逐渐减小直至为零，因此通过灯泡A2的电流方向不变，慢慢减小，通过灯泡A1的电流方向改变，慢慢减小直至为零，通过图象对比，两灯泡中的电流大小保持相等同步逐渐减小。理解图象中电流逐渐增大或减小的过程中图线切线的斜率也在逐渐变小，因为图线的切线斜率就是电流的变化率，即，而自感电动势，正因为电流变化率的减小使得自感电动势的逐渐减小，当电流变化率为零时，自感电动势也减为零。
传感器探究自感现象的优点
在数字化实验室利用传感器探究通电自感和断电自感，打破了传统的自感教学方式，从原有的教师课堂演示转变为学生小组探究，激发学生探究自感现象的兴趣同时提高了学生的动手能力；从原有的实验现象定性展示转变为数据的定量实时展示，帮助学生获得直接经验，直接感知自感现象中的规律，有利于学生建立起完整的物理图景；从原有的感性化的灯泡亮度变化转变为高精度的计算机处理后的定量显示，使自感规律的探究发现更具有严谨性和可信性，有利于学生理解自感现象的本质。
（作者单位：江苏省启东中学）
实验的准备
自感现象演示实验在高中物理教学中是一个必做的重要演示实验，传统的通电自感演示实验只能通过灯泡点亮的先后顺序说明线圈产生的自感电动势能阻碍电流的增加；传统的断电自感演示实验，通过小灯泡的闪亮一下后熄灭说明线圈产生的自感电动势能阻碍电流的减小，但无法描述即时电流的大小变化和方向变化，虽然后来对演示装置作了改进，在电路中应用了发光二极管，利用二极管的单向导电性来说明电流的方向，但仍无法确定即时电流的变化规律。基于传感器的计算机实时数据采集和基于计算机数据处理软件的计算机建模与图象分析等技术研发成功，很好地解决了这个问题；同时，学校数字化实验室的建立，为学生利用传感器探究自感现象提供了物质基础。
熟悉实验软件的操作和使用 由于学生很少接触数字化实验室，对朗威数字化信息实验室（DISLab）实验软件7.0版的认识和实验操作界面知之甚少，因此，在实验前让学生了解数字化实验室及其熟悉实验软件的操作和使用是确保实验成功的重要前提，对采集数据控制面板上数据传送通道、显示方式、采集控制、采样频率和图线控制等的使用和选择做到心中有数。
认识到电流传感器的作用 电流传感器的作用相当于一个电流表，但又不是电流表，它与电流表的一个重要区别在于，传感器与计算机的结合能够即时反映电流的迅速变化。如采用仪表显示方式，就是一个电流表；如采用数字显示方式，能直接得到瞬时电流值；如采用示波显示方式，能在屏幕上显示电流随时间变化的图象。本实验原理图中电流传感器就用电流表的符号表示，采用示波显示方式，采样频率选择200Hz。
探究通电线圈对电流的影响
实验操作 干电池两节，变压器（拆掉其中的一只线圈），定值电阻，电键，电流传感器，导线若干。按图一连接好电路，合上电键，观察到如图二电流-时间图象；把图一中的线圈换成电阻箱，按图三连接好电路，合上电键，观察到如图四电流——时间图象。
实验现象 没有线圈的电路中，电键合上时，流过电路的电流立即增大；在接有线圈的电路中，电键合上时，流过电路的电流逐渐增大。
实验现象分析 通过对这两个实验得到的现象分析，得到通电线圈产生的自感电动势有阻碍电流变化的作用。
探究断电自感现象
实验操作 干电池两节，电感盒（演示灯泡用），小灯泡，电键，电流传感器，导线若干。按图五连接好电路，合上电键，待电流稳定后，再断开电键，观察到如图六电流-时间图象。
实验现象 在电键合上时，流过小灯泡的电流立即增大后逐渐减小，电路稳定时，流过小灯泡的电流较小，灯泡不亮，在电键断开瞬间，通过小灯泡中的电流突然反向增大后又逐渐减小到零，观察到小灯泡闪亮一下后熄灭。
实验现象分析 在电键断开瞬间，灯泡与实际电源已断开，灯泡闪亮一下后才熄灭，说明了线圈充当了电源的角色，在流过线圈的电流从有到无变化时，线圈中产生了感应电动势，阻碍电流的减小，把原来储存的磁场能释放出来，转化为电能。
探究通电自感现象
实验操作 干电池四节，变压器（拆掉其中的一只线圈），两个规格相同小灯泡，电键，两个电流传感器（分别接入数据采集器通道1和通道2），电阻箱，导线若干按图七连接好电路，合上电键，调节电阻箱的阻值，使流过两灯泡的电流大小相等（或灯泡的亮度相同），断开电键。合上电键，待电流稳定后，再断开电键。
实验现象 我们可以观察到灯泡A1立即亮，灯泡A2慢慢亮，稳定时两灯泡的亮度相同，得到如图八所示的电流和时间的图象。
实验现象分析 在电键合上瞬间，灯泡A1中的电流立即增大，所以A1立即亮；灯泡A2中的电流为零，此时，线圈可等效成断路。线圈的存在延缓了电流的增大，因此看到灯泡A2慢慢变亮，与灯泡A1间存在明显的时间差，这在电流-时间图象上也有明显的体现。稳定后，两灯泡电流大小相等，此时线圈就等效为与电阻箱R阻值相同的电阻。电键断开时，线圈等效成电源，与两灯泡串联构成一个闭合回路，使线圈中的电流沿原方向从原稳定值逐渐减小直至为零，因此通过灯泡A2的电流方向不变，慢慢减小，通过灯泡A1的电流方向改变，慢慢减小直至为零，通过图象对比，两灯泡中的电流大小保持相等同步逐渐减小。理解图象中电流逐渐增大或减小的过程中图线切线的斜率也在逐渐变小，因为图线的切线斜率就是电流的变化率，即，而自感电动势，正因为电流变化率的减小使得自感电动势的逐渐减小，当电流变化率为零时，自感电动势也减为零。
传感器探究自感现象的优点
在数字化实验室利用传感器探究通电自感和断电自感，打破了传统的自感教学方式，从原有的教师课堂演示转变为学生小组探究，激发学生探究自感现象的兴趣同时提高了学生的动手能力；从原有的实验现象定性展示转变为数据的定量实时展示，帮助学生获得直接经验，直接感知自感现象中的规律，有利于学生建立起完整的物理图景；从原有的感性化的灯泡亮度变化转变为高精度的计算机处理后的定量显示，使自感规律的探究发现更具有严谨性和可信性，有利于学生理解自感现象的本质。
（作者单位：江苏省启东中学）