学文网DIS是数字化信息系统（digital information system）的简称，它是由“传感器+数据采集器+实验软件包+计算机”构成的新型实验系统.该系统综合运用基于传感器的数据采集、记录和分析技术，构建了依托计算机平台的实时实验系统，成功地克服了传统物理实验仪器的诸多弊端，有力支持了信息技术和物理教学的全面整合.DIS实验提供了电流、电压、微电流、温度、压强、力、声波、光电门、磁、位移等多种传感器，支持中学物理中各种类型的实验.最近，笔者在南京师范大学研修期间有幸接触到了上海市中小学数字化实验系统研发中心为上海市第二轮课程教材改革而开发的一种新型试验设备――“朗威牌”DIS实验室，借助该传感器，笔者对自感现象中几个新现象进行探究.1 自感现象的概念
自感现象属于一种特殊的电磁感应现象，发生电磁感应的原因是由于通过导体本身的电流发生变化而引起磁通量变化，这种现象称为自感.由于该概念较为抽象，中学物理教学中往往借助线圈通断电自感现象的实验加以讲解，实验中通常利用小灯泡作为显示元件，根据与线圈相连的小灯泡在通电瞬间延迟发光，或与线圈并联的小灯泡在电路断开后延迟熄灭甚至发出闪光的现象显示出线圈自感效用.该实验现象的暂态特征突出，对观察和分析手段的要求很高.2 分析传统自感演示实验存在的不足之处
（1）传统实验中是通过小灯泡的亮暗变化情况来显示自感现象的，由于自感现象中的暂态时间太短，若电感的感阻比（L/R）及外电路各元件参数没有恰当的设置，现象不易被观察，实验往往达不到预期的实验目的.即使灯泡显示渐变现象，也只能粗略地表征电路中电流的变化.
（2）使用灵敏电流计虽然可以显示电流，但自感现象变化过程短暂，电流表的指针由于具有一定的惯性，其响应较慢，因此不能显示出电流的瞬时变化.
（3）在自感现象中往往由于缺乏理论认识，对各元器件参数不加配比，经常在断电自感中会出现灯泡闪亮一下，往往会烧坏灯泡，同时使学生错误的认为自感就是电流突然变大.
（4）有的教师在实验中利用发光二极管代替灯泡，虽然可以观察自感中的电流变化方向的现象.但对电流的变化过程无法清楚地认识，更不能发现新问题，从而不能很好的引导学生进行探究性学习.
而借助DIS实验则可以很好的解决上述问题.3 运用DIS实验进行探究3.1 通电自感现象中问题探究
（1）进行原来的演示实验
通电自感现象演示实验电路如***1所示，首先将开关S1断开，S2闭合，然后再闭合开关S1，观察闭合开关S1的瞬间两灯发光的情况.可以观察到，灯R1延迟发光，R2立刻发光.
（2）利用DIS传感器对实验进行改装
使用DIS传感器套件中的微电流传感器，将微电流传感器的两个接线端接在开关S2两端，保持开关S2断开.
如果要使传统实验效果与DIS实验效果同时展现，可以事先在闭合S1时调节滑动变阻器，使两灯亮度相等，再进行实验.
闭合S1即可通过计算机上的DIS通用软件界面观察到线圈中电流变化的曲线.（***2）
实验现象 由***2可知通过小灯泡R1的电流逐渐增大，达到稳定前经过一个峰值，然后才稳定下来.断电后，电流从原大小逐渐减小为零.即说明在通电瞬间由于线圈自感作用，阻碍电流的增加，通电后，线圈所在的支路中灯泡R1逐渐变亮，而灯泡R2立刻变亮.
实验探究 发现问题：小灯泡通电自感现象曲线中存在微小的凸起（如***3所示）.
猜想 分析根据流过小灯泡的电流I=U/R分析其原因可能是：一是通电瞬间灯泡两端的U较大；二是通电瞬间灯丝电阻R变小.
分析 通电瞬间线圈电路电流为零，线圈呈现高阻状态，随着时间推移，电流不断增大，但异常尖峰出现在电流将达稳定值时，其实此时线圈已呈低阻状态，灯泡和线圈分压已趋稳定，不能解释灯泡分压偏多；那么是不是由于灯丝刚刚通电时温度较低，电阻较小，发光后温度升高，电阻变大而引起的呢？
验证 为了验证该现象是否由于灯丝电阻随温度变化造成的，用阻值基本不随温度变化的电阻箱来代替小灯泡进行实验，其他设计不变，调节电阻箱阻值与灯丝标称的电压和功率对应的阻值相同.获得电流-时间***象如***4所示.结果凸起部分没有了，验证这种想法是正确的.
两个实验区别仅在于用电阻箱代替了小灯泡，即可说明前面***线微小的凸起确实因为灯泡的电阻随温度变化而导致的.3.2 断电自感现象
（1）进行原来的演示实验
断电自感现象演示实验电路如***5所示，闭合开关，等待小灯泡正常发光后，再将开关断开，观察断开开关的瞬间，小灯泡发光的情况.可以观察到小灯泡先闪亮一下，然后才熄灭.
（2）利用DIS传感器对实验进行改装
使用DIS传感器套件中的电压传感器，测量小灯泡两端的电压，闭合开关，等待小灯泡正常发光后，再将开关打开，即可通过DIS通用软件界面观察到小灯泡两端的电压变化的***线.
实验现象 从获得的电压***线如***6所示可以看到，***线的前一尖峰为通电自感现象，中间持续稳定的电压为小灯泡正常发光的状态，最后的尖峰为断电时线圈施加的电压，且断电后流过小灯泡的电流方向发生变化.
实验探究 发现问题：在断电自感现象的***象中，除通电瞬间观察到电压较高的情况外，断电瞬间灯泡两端的电压明显高于电路稳定时的电压，即小灯泡闪亮一下.
猜想：灯泡亮暗程度由平均功率P=U2R=Qt决定的.由于这里尖峰较大，可以忽略温度对电阻的影响，灯泡电压升高是闪亮的直接原因，那导致电压突高的原因可能是：一是线圈的直流电阻r小于灯丝电阻R；二是通电瞬间线圈中产生的能量较大；三是断路时间较小.
分析 若rIR，断开电键时由于自感，线圈中的电流是逐渐消失，断电瞬间线圈中的电流流经灯泡，从而小灯泡闪亮一下；线圈储能本领正比于线圈的自感系数L，反比于直流电阻r，这两个参数应与闪亮有关系（这里线圈的直流电阻r可由欧姆表直接测出，电感系数L可另通过将电感两端加上交流电压U，测出电流I，根据RL串联电路特性很容易得到关系式L=12πfU2I2-r2（f=50 Hz），这样就可以计算电感系数L）；另外改变断开开关时间.
验证 断开开关的动作快慢对***象没有影响.换一个自感系数小或直流电阻大的线圈（相当于线圈支路上串接一定值电阻），实验发现断电自感瞬间产生的电压都明显降低.经分析得到：线圈作为储能元件在断电瞬间线圈释放能量，以瞬间高压的方式产生，所以我们看到小灯泡闪亮一下，同时实验验证灯泡闪亮程度不但与外部因素有关而且还与线圈的本身因素有关.3.3 自感对比实验，强化概念
在***1中电阻支路上也串接一微电流传感器，在通断电中可以看到电流变化如***7所示，即：线圈对电流的变化有明显的阻碍作用，对电流阻碍效果在电流稳定时相当于等值电阻.
总结 自感是指线圈本身总是有阻碍导体中电流变化的特性，即产生的感应电动势阻碍电流增加和减小的快慢，但不是阻止电流的增加和减小，它是种特殊的电磁感应现象.
通过对上述实验中几点新现象的探究，不但加深了学生对电路知识的认识，更重要的是培养了学生探究新现象的能力.其实运用DIS实验探究自感现象，不仅可以增强实验的直观性和可信度，同时利用软件的***象显示功能，清楚地显示出各个支路中的电压和电流随时间的变化情况，这样还可以进一步的利用***象中具体的***线将定性分析变成定量分析.
转载请注明出处学文网 » 浅谈运用DIS实验探究自感现象