自感现象的创新实验设计

来源 :中学物理·高中 | 被引量 : 0次 | 上传用户:hanyouzhu
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  【教学过程】
  1 引入新课
  师:我们先来玩一个小游戏,这里有一节干电池,我直接用手指按住电池的正负极,会不会触电?
  生:不会.
  师:肯定不会,是吧.现在我把它改装一下,我这个游戏叫做“千人震”,就是让很多人体验一下“震”的感觉,或者说,有个“触电的感觉”.这个装置,仍然只用一节干电池.一个支路连上一个线圈相连,另外一个支路,就需要同学们参与一下,谁愿意主动上来体验一下?
  演示:准备好了没有?我要合上开关了,没事(突然断开,学生一震)
  2 自感
  师:刚才这个游戏中,产生触电感觉的电流是谁提供的呢?
  生:线圈
  师:电池本身不会让人触电,这个线圈很神奇啊,它让我联想到了法拉第的线圈.法拉第的线圈神奇的地方在于发现了电磁感应现象.请个同学回顾一下以前学过的内容.如图1,闭合开关S,B线圈中会产生感应电动势(电流)吗?如果有,方向如何?
  生:会,感应电流的磁场与原磁场方向相反,用来阻碍原磁通量的变化.
  【演板】黑板上画出原磁场与感应磁场
  师:先判断原磁场的方向,在通电瞬间是增强的,感应电流的磁场与之反向.按照安培定则,判断感应电流的方向.
  师:我们刚才游戏中的线圈只有一个,干脆把B线圈去掉,结合刚才触电的现象,大家想想,A线圈自身上会发生电磁感应现象吗?即在A线圈自身上能产生感应电动势吗?
  生:会,或者不会
  师:如果会的话,会有什么情况发生?(若学生回答不会,就引导,万一会呢?)
  生:阻碍A的变化(师补充完整:这个感应电动势的效果是阻碍原电流的变化)
  【设想1-通电自感】通电时,线圈会阻碍自身电流变化,电流是“慢慢增强”.
  【设计实验】将灯泡与线圈串联,通过灯泡亮度的变化来反应电流的变化.
  步骤1:电流慢慢增大的效果是:灯泡慢慢变亮(效果不明显)(自感现象演示仪,只露出一个支路)
  是根本没有我们预想的效果出现呢?还是效果不明显呢?
  师:我们在研究问题时,不能粗略的判断后就放弃自己的设想,是不是应该更加充分的考虑后面这一种情况啊?有可能是“快慢”的视觉效果不明显?
  步骤2:直接看,视觉效果不明显.怎么办?对比!我们说某人跑得快,说不清楚,找个速度不慢的对比一下就可以了.我们可以再加一个支路与之对比.图3(撕开报纸隐藏的支路)
  观察结果:与R串联的灯泡直接变亮;与线圈串联的灯泡延后发光(说明设想合理)
  【提问】与线圈相连的灯泡为什么要过一会才亮?(用哪个原理可以解释)
  解释 在接通电路的瞬间,电路中的电流增大,穿过线圈L的磁通量也随之增大,因而线圈中必然会产生感应电动势,这个感应电动势对应的感应电流阻碍线圈中电流的增大,所以通过A2的电流只能逐渐增大,灯泡A2只能逐渐亮起来.
  师:如果我将这个电路的开关断开,大家猜猜会发生什么现象?
  生:电流不会马上消失,而是慢慢变小.A1、A2的熄灭时间会延后
  师补充:电源给A1提供的电流直接没有了,与A2串联的线圈会让电流逐渐衰减,与A1形成一个回路,会让A1、A2一起慢慢熄灭.
  【设想2-断电自感】断电时,线圈会阻碍自身电流变化,电流会“慢慢变弱”.
  步骤1:灯泡慢慢变暗(效果不明显,基本看不出来)
  猜测原因:时间太短,难以区分(同学们思考讨论一下,可以如何改进)
  步骤2:【实验设计】学生可能会提出的方案
  方案一:把A1换成电流表
  思路:通过电流表来观察电流是否逐渐变小(图4)
  (结果:电流表“反应太慢”,无法显示)
  方案二:将灯泡A1换成二极管,二极管具有单向导电性,判断L中是否有电流通过二极管(图5);
  思路 断开时,如果L中电流是逐渐减小,这个电流通过上方的“二极管”,“二极管”会闪一下.
  【提问】:断开电键,通过上方的“二极管”的电流会沿着什么方向?接“二极管”时正负极应怎样连接?
  解释 在电路断开的瞬间,通过线圈的电流突然减弱,穿过线圈的磁通量也就很快减少,因而在线圈中产生感应电动势.虽然这时电源已经断开,但线圈L和上方支路组成了闭合电路,上方支路中有反向电流通过,二极管的正负极应与原电源正负极反向.由于二极管的单向导电性,断电之前不发光,断电之后二极管会闪一下再熄灭.
  方案三:干路中接入A3(图6),观察A3熄灭时间是不是比A1、A2延后
  (结果:电流持续时间太短,无法显示)
  方案四:电流一大(IL)一小(IA),从亮度上判断是否有反向电流通过A
  (1)把灯泡A和带铁芯 的线圈L并联在直流电路中.
  (2)接通电路,待灯泡正常发光,断开电路.
  现象:S断开时,A 灯突然闪亮一下才熄灭.
  解释 在电路断开的瞬间,通过线圈的电流突然减弱,穿过线圈的磁通量也就很快减少,因而在线圈中产生感应电动势.虽然这时电源已经断开,但线圈L和灯泡A组成了闭合电路,在这个电路中有感应电流通过,并且因为IL> IA,所以灯泡会闪一下再熄灭.
  师:大家有没有觉得这个电路很眼熟呢?跟“千人震”的电路结构完全相同,你们就是电路中与线圈并联的灯泡啊!
  方案五:将灯泡换成电流传感器,用图象更清楚的说明电流的变化(图8)
  【传感器演示实验-通电自感与断电自感】通电时,相比IR,IL逐渐增大,曲线逐渐平缓.断电时,IL逐渐减小,曲线逐渐平缓;同时,IR突然反向,然后随IL逐渐减小,曲线逐渐平缓(图9).
  方案六:A2前面加线圈(很难有明显现象)
  让学生同时展开几个实验进行观察,然后说明元件的工作原理并解释现象
  归纳:
  通电自感:有线圈的电路电流只能逐渐增大
  断电自感:有线圈的电路电流只能逐渐减小
  特征:有线圈的电路电流不能发生突变
  总结:自感现象
  1.由于导体本身的电流发生变化而产生的电磁感应现象,叫自感现象.
  2.自感现象中产生的电动势叫自感电动势.
  自感电动势的作用:阻碍导体中原来的电流变化.
  注意 “阻碍”不是“阻止”,即对电流的变化起延迟作用.电流原来怎么变化还是怎么变,只是变化变慢了.(而且这个变化率——斜率是在变小,越往后曲线逐渐平缓)
  (由于实验所占时间比较长,到此基本上40分钟就结束了.后面的内容,可以作为课后作业,让学生自己阅读思考)
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