運(yùn)用PASCO傳感器研究自感現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

周 瑩 劉茂軍

(吉林師范大學(xué)物理學(xué)院，吉林 四平 136000)

1 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)思路

自感現(xiàn)象是高中物理“電磁感應(yīng)”一章的重要內(nèi)容.人教版教材通過(guò)對(duì)通電、斷電瞬間燈泡發(fā)光的變化演示自感現(xiàn)象，但無(wú)法直觀顯示自感電流方向的變化.該教材在“做一做”環(huán)節(jié)用電流傳感器演示自感對(duì)電路中電流的影響，[1]但也僅僅演示了通電時(shí)的自感現(xiàn)象.有的實(shí)驗(yàn)運(yùn)用DISLab數(shù)字化傳感器進(jìn)行研究，[2-3]但沒(méi)有對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)做精確的定量研究.

本實(shí)驗(yàn)嘗試運(yùn)用PASCO數(shù)字化傳感器對(duì)該實(shí)驗(yàn)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，與人教版教材中的實(shí)驗(yàn)相比，新設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)有以下改進(jìn)：

(1) 數(shù)字化傳感器完整記錄通電、斷電瞬間的電流變化圖像，有助于學(xué)生理解自感現(xiàn)象的特點(diǎn)和本質(zhì).

(2) 數(shù)字化傳感器可以定量記錄自感現(xiàn)象作用的時(shí)間，可以對(duì)自感系數(shù)不同的情況進(jìn)行定量比較研究.

(3) 設(shè)計(jì)了并聯(lián)電路的自感現(xiàn)象，不僅可以演示出通電自感現(xiàn)象，而且可以演示斷電自感電流方向.

2 實(shí)驗(yàn)基本過(guò)程與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

本實(shí)驗(yàn)用電阻箱代替?zhèn)鹘y(tǒng)實(shí)驗(yàn)中的小燈泡，可以解決因燈泡阻值變化而導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)精確度下降的問(wèn)題.電源電動(dòng)勢(shì)選用4 V的直流穩(wěn)壓電源，線圈匝數(shù)n選用1400匝，阻值RL=50 Ω.

實(shí)驗(yàn)1：通電時(shí)自感現(xiàn)象演示.

(1)連接電路.

如圖1所示，將電阻箱的阻值調(diào)至50 Ω，與自感線圈等阻值串聯(lián)，閉合開(kāi)關(guān)，觀察電流的變化情況；將自感線圈拆掉，電阻箱的阻值調(diào)至100 Ω，再次測(cè)量，比較兩次測(cè)得的I-t圖像.

圖1 串聯(lián)電路自感現(xiàn)象演示實(shí)物圖

(2) 實(shí)驗(yàn)圖像示例(圖2).

(3) 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析.

設(shè)定沒(méi)有自感線圈電路中的電流為I1，電阻箱與自感線圈串聯(lián)的電流為I2.在I-t圖像中按一定時(shí)間間隔選取數(shù)據(jù)點(diǎn)，記錄兩次實(shí)驗(yàn)條件下電流隨時(shí)間變化的關(guān)系，如表1所示.

表1 不同實(shí)驗(yàn)條件下的電流與時(shí)間關(guān)系

從表1中可以看出，電路中沒(méi)有線圈時(shí)，電流幾乎瞬時(shí)達(dá)到最大值；而當(dāng)電路中有線圈時(shí)，電流需要大約0.036 s達(dá)到電流最大值.由此說(shuō)明：開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，通過(guò)電阻箱的電流I1幾乎瞬間從0增加到最大值0.041 A，而串聯(lián)線圈的電路由于受到自感線圈產(chǎn)生的阻礙作用，使電流I2增加得相對(duì)緩慢，最終穩(wěn)定在0.041 A.

實(shí)驗(yàn)2：并聯(lián)電路自感現(xiàn)象演示.

(1) 連接電路.

如圖3所示，將電阻箱調(diào)至50 Ω(為了讓兩個(gè)電流傳感器電流大小一致)，與自感線圈并聯(lián)，兩個(gè)電流傳感器分別連入兩條支路中.將開(kāi)關(guān)先閉合后斷開(kāi)，觀察兩條支路上的I-t圖像.

圖3 并聯(lián)自感現(xiàn)象實(shí)驗(yàn)電路圖

(2) 實(shí)驗(yàn)圖像示例(圖4、圖5).

圖4 并聯(lián)電路通電自感I-t圖像

圖5 并聯(lián)電路斷電自感I-t圖像

(3) 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析.

設(shè)定電阻箱所在支路的電流為I1，自感線圈所在支路的電流為I2.記錄兩次實(shí)驗(yàn)條件下電流隨時(shí)間變化的關(guān)系，如表1所示.在I-t圖像中按一定時(shí)間間隔選取數(shù)據(jù)點(diǎn)，分別記錄通電與斷電瞬間各支路電流隨時(shí)間變化的關(guān)系，如表2所示.

表2 通電和斷電瞬間電流與時(shí)間變化

從表2中可以看出，在通電瞬間，沒(méi)有線圈的支路電流I1幾乎瞬間達(dá)到最大值，有線圈的支路電流I2需要大約0.036 s才能達(dá)到電流最大值，說(shuō)明當(dāng)電流增加時(shí)，自感線圈對(duì)電路中的電流產(chǎn)生阻礙作用，證明自感現(xiàn)象的存在.

在斷電瞬間，兩條支路組成一個(gè)閉合回路，電流并沒(méi)有瞬間減小到0，而是電流數(shù)值逐漸減小，斷開(kāi)瞬間到電流為0的時(shí)間間隔為0.022 s.同時(shí)，電阻支路的電流I2由穩(wěn)定值0.079 A瞬間反向變?yōu)?0.047 A，后逐漸減小到0，線圈支路電流則由最大值經(jīng)過(guò)一定時(shí)間降為0，說(shuō)明自感線圈產(chǎn)生了一個(gè)與原電流方向相同的電流，從而起到“阻礙”電流變化的作用.

3 結(jié)論

通過(guò)以上兩組實(shí)驗(yàn)，清晰地演示了通電與斷電瞬間電流I與時(shí)間Δt的關(guān)系，驗(yàn)證了自感現(xiàn)象對(duì)電路中電流的影響.當(dāng)電路中的電流變化時(shí)，自感線圈所產(chǎn)生的感應(yīng)電流總是阻礙原電流的變化.