利用電壓傳感器演示線圈的斷電自感現(xiàn)象

陳軍剛

實(shí)驗(yàn)背景：

自感現(xiàn)象是人教版高中物理課本選修3-2第四章電磁感應(yīng)中的內(nèi)容。在2018年高考考綱中為Ⅰ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，要求學(xué)生知道自感現(xiàn)象和自感電動(dòng)勢的概念。在選修3-2教材中用圖1所示電路演示自感現(xiàn)象，通過觀察開關(guān)閉合與斷開的瞬間小燈泡亮度的變化來間接演示自感現(xiàn)象，學(xué)生不能直接觀察自感電動(dòng)勢的變化情況，這就造成學(xué)生對(duì)自感現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)不夠深入，對(duì)自感電動(dòng)勢概念的理解比較困難。

如果在試驗(yàn)中學(xué)生能直接觀察線圈中自感電動(dòng)勢的變化情況，那么學(xué)生就能清晰直觀地認(rèn)識(shí)自感現(xiàn)象，幫助學(xué)生理解自感電動(dòng)勢的概念。也能進(jìn)一步加深學(xué)生對(duì)電磁感應(yīng)現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)和對(duì)楞次定律的理解。

所以我設(shè)計(jì)了利用電壓傳感器演示線圈的斷電自感現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)，本實(shí)驗(yàn)可以用電壓傳感器直接觀測開關(guān)斷開時(shí)線圈中產(chǎn)生的自感電動(dòng)勢的大小、方向和變化情況，讓學(xué)生對(duì)自感現(xiàn)象和自感電動(dòng)勢的變化情況有一個(gè)直觀和感性的認(rèn)識(shí)，幫助學(xué)生理解自感電動(dòng)勢的概念，加深學(xué)生對(duì)電磁感應(yīng)現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)和對(duì)楞次定律的理解。

實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?/p>

1.學(xué)會(huì)使用電流傳感器和電壓傳感器進(jìn)行試驗(yàn)，并能利用計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析；

2.利用電壓傳感器和電流傳感器觀測線圈的斷電自感現(xiàn)象和自感電動(dòng)勢的變化情況。

實(shí)驗(yàn)原理：

自感現(xiàn)象是當(dāng)一個(gè)線圈中的電流發(fā)生變化時(shí)，線圈本身激發(fā)出感應(yīng)電動(dòng)勢的現(xiàn)象。如圖1所示，當(dāng)開關(guān)S斷開的瞬間，線圈中的電流突然減小，電源加到線圈兩端的電壓消失，由于自感現(xiàn)象，此時(shí)線圈中就會(huì)產(chǎn)生自感電動(dòng)勢，而利用電壓傳感器就可測量并記錄自感電動(dòng)勢的大小。

實(shí)驗(yàn)器材：

干電池8節(jié)（1.5V）、單刀單擲開關(guān)1個(gè)、單刀雙擲開關(guān)1個(gè)、發(fā)光二極管1支、有閉合鐵芯線圈1個(gè)（匝數(shù)1400匝，內(nèi)阻約為60Ω）、滑動(dòng)變阻器1個(gè)（100Ω，0.5A）、導(dǎo)線若干；

電壓傳感器（江蘇艾迪生公司，型號(hào)VS400）、電流傳感器（江蘇艾迪生公司，型號(hào)CS400）、高頻數(shù)據(jù)采集器（江蘇艾迪生公司，型號(hào)LobPro500）、Edis數(shù)字化探究實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)軟件。

實(shí)驗(yàn)步驟：

1.如圖1所示實(shí)驗(yàn)電路圖，連接實(shí)驗(yàn)儀器，完成實(shí)驗(yàn)電路，并檢查確認(rèn)電路連接無誤；

2.打開Edis數(shù)字化探究實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)軟件，調(diào)試電壓傳感器和電流傳感器，確認(rèn)傳感器和軟件工作正常；

3.開始實(shí)驗(yàn)，先將單刀雙擲開關(guān)P與觸頭1閉合，此時(shí)電壓傳感器測量線圈兩端的電壓，然后點(diǎn)擊Edis數(shù)字化探究實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)“開始”按鈕，同時(shí)多次閉合、斷開開關(guān)S，Edis數(shù)字化探究實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)將自動(dòng)記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；

4.將單刀雙擲開關(guān)P與觸頭2閉合，此時(shí)電壓傳感器測量與線圈內(nèi)阻相等的電阻兩端的電壓，然后點(diǎn)擊Edis數(shù)字化探究實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)“開始”按鈕，同時(shí)多次閉合、斷開開關(guān)S，Edis數(shù)字化探究實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)將自動(dòng)記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；用于對(duì)比實(shí)驗(yàn)。

5.實(shí)驗(yàn)結(jié)束，拆除實(shí)驗(yàn)裝置，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析：

如圖3所示為電壓傳感器記錄的電感線圈兩端電壓隨時(shí)間變化的圖像，圖4為與線圈內(nèi)阻相等的電阻兩端的電壓隨時(shí)間變化的圖像。

如圖2可知，每次當(dāng)開關(guān)S斷開的瞬間，線圈兩端的電壓突然消失的同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)較大的反向電壓。而在圖3電阻兩端的電壓隨著開關(guān)S的斷開而變?yōu)?，并沒有產(chǎn)生反向電壓。對(duì)比開關(guān)S斷開瞬間線圈和電阻兩端電壓的變化情況可知，在開關(guān)S斷開的瞬間線圈中產(chǎn)生了感應(yīng)電動(dòng)勢，感應(yīng)電動(dòng)勢的方向與電源加在線圈兩端電壓的方向相反。

編輯 劉瑞彬