組合化自感現(xiàn)象演示儀及其教學(xué)探討

楊樹(shù)梁 陳錦蕓 李德安 葉小鳳

(北京師范大學(xué)物理學(xué)系 北京 100875) (華南師范大學(xué)物理與電信工程學(xué)院 廣東 廣州 510006) (東莞東華初級(jí)中學(xué) 廣東 東莞 523128)

為了培養(yǎng)學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)，幫助學(xué)生從物理學(xué)科核心素養(yǎng)的視角認(rèn)識(shí)自然，提出生活中的無(wú)軌電車(chē)在轉(zhuǎn)彎時(shí)為什么會(huì)產(chǎn)生電火花的問(wèn)題.基于上面生活化的問(wèn)題，利用教具進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)，創(chuàng)設(shè)出關(guān)于自感現(xiàn)象的情境，使得學(xué)生能夠從客觀情境中概括出問(wèn)題的本質(zhì)特征，完成從經(jīng)驗(yàn)性常識(shí)向物理概念的轉(zhuǎn)變.在人教版《物理·選修3-2》第四章第6節(jié)“自感與互感”教材中，《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》對(duì)于自感現(xiàn)象的要求是：“通過(guò)實(shí)驗(yàn)，了解自感現(xiàn)象.能舉例說(shuō)明自感現(xiàn)象在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用[1].”據(jù)此，本教具使用開(kāi)關(guān)產(chǎn)生電火花的演示模塊，讓學(xué)生經(jīng)歷從自感現(xiàn)象的理論到實(shí)踐的過(guò)程，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度與責(zé)任.

1 提出問(wèn)題 演示實(shí)驗(yàn)創(chuàng)設(shè)情境

如圖1所示，當(dāng)一輛無(wú)軌電車(chē)在轉(zhuǎn)彎時(shí)會(huì)產(chǎn)生明顯的電火花，而在平直的路段行駛時(shí)一般不會(huì)產(chǎn)生電火花.

學(xué)生在看到這類(lèi)現(xiàn)象時(shí)，首先會(huì)面臨的困惑是，為什么無(wú)軌電車(chē)在轉(zhuǎn)彎時(shí)會(huì)產(chǎn)生明顯的電火花？學(xué)生如何從這個(gè)情境中提煉出問(wèn)題的本質(zhì)？這種現(xiàn)象與法拉第電磁感應(yīng)現(xiàn)象存在著什么關(guān)系？無(wú)軌電車(chē)的內(nèi)部構(gòu)造是怎樣的？是什么結(jié)構(gòu)導(dǎo)致無(wú)軌電車(chē)產(chǎn)生電火花？

圖1 無(wú)軌電車(chē)

為了解決學(xué)生的問(wèn)題，制作了一個(gè)無(wú)軌電車(chē)自感電火花的模擬裝置，具體結(jié)構(gòu)如圖2所示.

圖2 無(wú)軌電車(chē)自感電火花模擬裝置

無(wú)軌電車(chē)自感電火花的模擬裝置將用于課堂開(kāi)始時(shí)的情境導(dǎo)入，它可以在教學(xué)中創(chuàng)設(shè)自感現(xiàn)象的情境.展示無(wú)軌電車(chē)自感電火花時(shí)，首先將底板①放置在水平桌面上，然后將線圈⑥按圖2所示與電源⑤連接好，再將第一電夾⑦與第二電夾⑧分別夾在鐵絲③與鋸齒鐵皮②中，隨后利用驅(qū)動(dòng)件?將小車(chē)從木板最左端拉動(dòng)到最右端，最后可以看到鋸齒鐵皮與鐵釘接觸處不斷出現(xiàn)電火花的現(xiàn)象，營(yíng)造出無(wú)軌電車(chē)在行駛過(guò)程中一路火花帶閃電的震撼情境.無(wú)軌電車(chē)電火花模擬裝置如圖3所示，可以讓學(xué)生帶著無(wú)軌電車(chē)為什么會(huì)產(chǎn)生電火花的問(wèn)題，進(jìn)入自感現(xiàn)象這一節(jié)課的學(xué)習(xí)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)自感現(xiàn)象的興趣.

圖3 無(wú)軌電車(chē)教具實(shí)物

2 自感現(xiàn)象演示儀結(jié)構(gòu)及通斷電自感演示

自制教具演示實(shí)驗(yàn)可以發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維能力，讓學(xué)生經(jīng)歷科學(xué)探究過(guò)程.教材中的通電自感與斷電自感分成兩個(gè)電路演示自感現(xiàn)象的主要原因是：線圈自感系數(shù)不夠大以及線圈的電阻過(guò)大.分成兩個(gè)電路演示可能會(huì)引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)為通電自感與斷電自感不能在同一個(gè)電路中發(fā)生，從而容易留下潛在的錯(cuò)誤概念.另外將通電自感與斷電自感做成兩個(gè)演示儀，也會(huì)造成材料的浪費(fèi)，不符合現(xiàn)代的環(huán)保理念.因此可以在基于傳統(tǒng)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一個(gè)組合化的自感現(xiàn)象演示儀，使得學(xué)生能夠經(jīng)歷自感現(xiàn)象的科學(xué)探究過(guò)程.如圖4所示，該裝置主要分為3大模塊，分別為：傳統(tǒng)燈泡、LED燈以及開(kāi)關(guān)電火花.

圖4 自感現(xiàn)象演示儀結(jié)構(gòu)

圖5為自感現(xiàn)象演示儀實(shí)物圖，對(duì)其功能模塊的說(shuō)明分別如下.

圖5 自感現(xiàn)象演示儀實(shí)物

2.1 傳統(tǒng)燈泡演示儀

傳統(tǒng)燈泡演示模塊是通過(guò)將傳統(tǒng)燈泡板⑦裝入香蕉插頭中實(shí)現(xiàn)的.燈泡A1裝入電阻支路端，燈泡A2裝入電感支路端.傳統(tǒng)燈泡演示模塊通過(guò)設(shè)置特定的線圈參數(shù)，實(shí)現(xiàn)在同一個(gè)電路板中演示通電自感與斷電自感現(xiàn)象.

演示方法及效果：

(1)接通電源前，把電感支路滑動(dòng)變阻器的電阻值調(diào)節(jié)至最小，電阻支路滑動(dòng)變阻器的電阻值調(diào)節(jié)至最大，從而起到保護(hù)燈泡A1,A2的作用.

(2)接通電源，閉合開(kāi)關(guān)并改變滑動(dòng)變阻器R1,R2的阻值，直至燈泡A1,A2正常發(fā)光且兩個(gè)燈泡的亮度相同.斷開(kāi)開(kāi)關(guān)S，可以看到燈泡A1閃亮一下后熄滅.演示過(guò)程需要引導(dǎo)學(xué)生觀察兩個(gè)燈泡的亮暗變化，讓學(xué)生對(duì)斷電自感現(xiàn)象有更深刻的認(rèn)識(shí).

(3)閉合開(kāi)關(guān)S，觀察到燈泡A2較慢變亮且延遲現(xiàn)象明顯.此即通電自感現(xiàn)象，同樣也需要在這個(gè)過(guò)程中，引導(dǎo)學(xué)生觀察燈泡的亮暗變化.

2.2 LED燈演示儀

LED燈演示模塊是通過(guò)將LED燈板⑧裝入香蕉插頭中實(shí)現(xiàn)的.其中LED燈板是利用數(shù)十個(gè)LED燈焊接在電路板中制作而成.在演示LED燈模塊過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)LED燈的演示效果比傳統(tǒng)燈泡好，并且可以利用這個(gè)模塊探究出通電自感與斷電自感現(xiàn)象中自感電流的變化方向.

演示方法及效果：

(1)未接通電源時(shí)，把電感支路滑動(dòng)變阻器的電阻值調(diào)節(jié)至最小，電阻支路滑動(dòng)變阻器的電阻值調(diào)節(jié)至最大，從而起到保護(hù)LED燈板的作用.

(2)接通電源，閉合開(kāi)關(guān)并改變滑動(dòng)變阻器R1和R2的阻值，直至LED燈板中的兩個(gè)白色LED燈正常發(fā)光且亮度相同.斷開(kāi)開(kāi)關(guān)S，將看到電阻支路中的紅色LED燈閃亮一下后熄滅.通過(guò)LED燈中自感電流單向通過(guò)的特性，可以得出電路中的自感電流方向?yàn)槟鏁r(shí)針.

(3)閉合開(kāi)關(guān)S，觀察到電感支路的白色LED燈較慢變亮，LED燈延遲現(xiàn)象比傳統(tǒng)燈泡更為明顯.根據(jù)電路中LED燈的發(fā)光情況，得出電路中自感電流的方向?yàn)轫槙r(shí)針.

2.3 開(kāi)關(guān)電火花演示儀

開(kāi)關(guān)電火花演示模塊是通過(guò)將電感支路中滑動(dòng)變阻器⑤的電阻調(diào)節(jié)為零，以及香蕉插頭③沒(méi)有接入任何器件實(shí)現(xiàn)的.開(kāi)關(guān)電火花演示模塊推薦在課堂總結(jié)時(shí)使用，能引導(dǎo)學(xué)生再次回顧自感現(xiàn)象的本質(zhì).自感現(xiàn)象的產(chǎn)生是由于線圈中的電流變化時(shí)，它產(chǎn)生的變化的磁場(chǎng)不僅在鄰近的電路中激發(fā)出感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，同樣也在它本身激發(fā)出感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)[2].總結(jié)時(shí)使用開(kāi)關(guān)電火花模塊，能讓學(xué)生將所學(xué)的自感現(xiàn)象運(yùn)用到生產(chǎn)生活中，解決生活中的實(shí)際問(wèn)題.

演示方法及效果：

(1)接通電源，閉合開(kāi)關(guān)，待電源穩(wěn)定后，快速斷開(kāi)開(kāi)關(guān)，可以看到開(kāi)關(guān)產(chǎn)生明顯的電火花.現(xiàn)象如圖6所示.

圖6 開(kāi)關(guān)電火花

(2)斷開(kāi)開(kāi)關(guān)，將導(dǎo)線板⑨插入線圈⑥的香蕉插頭中，使得線圈局部短路.此時(shí)再斷開(kāi)開(kāi)關(guān)，沒(méi)有觀察到開(kāi)關(guān)有電火花產(chǎn)生.對(duì)比兩次實(shí)驗(yàn)，得出開(kāi)關(guān)電火花是由于線圈的自感產(chǎn)生的.

3 理論及參數(shù)分析

3.1 自感現(xiàn)象理論

由式(1)可知，當(dāng)電路中存在強(qiáng)電流和自感系數(shù)很大的線圈時(shí)，開(kāi)關(guān)斷開(kāi)的瞬間會(huì)產(chǎn)生極大的自感電動(dòng)勢(shì).產(chǎn)生的高電壓會(huì)擊穿空氣，從而可以看到開(kāi)關(guān)產(chǎn)生電火花

(1)

根據(jù)RL串聯(lián)電路的零輸入響應(yīng)與零狀態(tài)響應(yīng)，在斷開(kāi)開(kāi)關(guān)瞬間，斷電自感中線圈兩端的電壓表達(dá)式為

(2)

圖7 RL串聯(lián)電路的零輸入響應(yīng)

在閉合開(kāi)關(guān)瞬間，通電自感中線圈兩端的電壓表達(dá)式為

(3)

圖8 RL串聯(lián)電路的零狀態(tài)響應(yīng)

式(2)、(3)中的τ稱(chēng)為時(shí)間常數(shù)，理論上，僅當(dāng)t=∞時(shí)，電路才能達(dá)到穩(wěn)態(tài)，但在實(shí)際的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，僅需要經(jīng)過(guò)3τ～5τ的時(shí)間后，電路的暫態(tài)過(guò)程便基本結(jié)束，即uL≈0.

根據(jù)式(3)，在閉合開(kāi)關(guān)瞬間，演示儀中的通電自感時(shí)間常數(shù)τ主要取決于線圈的自感系數(shù)以及電路的總電阻.

3.2 器件參數(shù)分析

人眼的時(shí)間分辨率為0.3 s，如果人要觀察到通電自感過(guò)程中燈泡延遲發(fā)光的現(xiàn)象，則時(shí)間常數(shù)τ不能小于0.06 s.如圖5所示，在通電自感過(guò)程中，為了能在實(shí)驗(yàn)時(shí)觀察到明顯的延遲現(xiàn)象，本教具設(shè)計(jì)了特殊的低頻扼流線圈，使其自感系數(shù)L達(dá)到6.3 H，而線圈的內(nèi)阻僅有10.8 Ω.并選用電阻約為1.8 Ω的燈泡，經(jīng)過(guò)計(jì)算得

則此時(shí)τ大于0.06 s，因此可以觀察到非常明顯的燈泡延遲發(fā)光現(xiàn)象.在斷開(kāi)開(kāi)關(guān)瞬間，要使燈泡A1實(shí)現(xiàn)閃亮一下再熄滅的現(xiàn)象，電感支路總電流需為電阻支路總電流的3倍，即電阻支路總電阻為電感支路總電阻的3倍.根據(jù)線圈的自感系數(shù)L=6.3 H，內(nèi)阻r=10.8 Ω，燈泡電阻為1.8 Ω，則電感支路的總電阻約為12 Ω.當(dāng)選擇兩個(gè)滑動(dòng)變阻器的量程為0～50 Ω時(shí)，電阻支路總電阻可以很容易達(dá)到電感支路總電阻的3倍.

4 創(chuàng)新與改進(jìn)

(1)無(wú)軌電車(chē)自感電火花模擬裝置是基于生產(chǎn)生活創(chuàng)新設(shè)計(jì)出來(lái)的，目前我們團(tuán)隊(duì)已經(jīng)成功申請(qǐng)專(zhuān)利.

(2)教具中的第二個(gè)裝置實(shí)現(xiàn)3個(gè)模塊一體化.其中傳統(tǒng)燈泡模塊可以在同一電路中展示通電自感與斷電自感，LED燈模塊則可以更深一步展示自感現(xiàn)象中自感電流的變化方向以及讓自感現(xiàn)象更震撼，而開(kāi)關(guān)電火花模塊可以再次展示生產(chǎn)生活中自感現(xiàn)象的危害.

(3)組合化的自感現(xiàn)象教具可以滿(mǎn)足自感現(xiàn)象教學(xué)過(guò)程中的創(chuàng)設(shè)情境、科學(xué)探究以及知識(shí)應(yīng)用這3個(gè)環(huán)節(jié)的課堂教學(xué)，能有效地培養(yǎng)學(xué)生的物理觀念與科學(xué)思維.

(4)通過(guò)理論計(jì)算，對(duì)線圈和滑動(dòng)變阻器的參數(shù)進(jìn)行深入分析，實(shí)現(xiàn)了演示物理現(xiàn)象的明顯程度最大化.

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)無(wú)軌電車(chē)自感電火花的模擬裝置，創(chuàng)設(shè)自感現(xiàn)象的物理情境.教師能從生產(chǎn)生活的角度培養(yǎng)學(xué)生的物理觀念，引發(fā)學(xué)生的深度思考.對(duì)比分析傳統(tǒng)燈泡演示儀與LED燈演示儀的實(shí)驗(yàn)，能使學(xué)生經(jīng)歷通電自感與斷電自感的科學(xué)探究過(guò)程，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維.而演示開(kāi)關(guān)電火花模塊，能讓學(xué)生經(jīng)歷從理論到實(shí)踐的過(guò)程，完成知識(shí)的再次升華.