2019-09-25 点击:

作者:陈绪文
  【摘要】本文分析研究了《自感》教学设计的改进。
  【关键词】《自感》 教学设计 改进
  【中图分类号】G633.7 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089(2019)33-0188-02
  一、教材中的问题
  1.自感通电演示实验
  实验现象:灯A1总比灯A2滞后一段时间才亮。
  实验说明:
  2.自感断电演示实验
  实验现象:灯A闪亮一下,在缓慢熄灭。
  实验说明:当电路断开时,通过线圈的电流要减少,由法拉第电磁感应定律和楞次定律可知,线圈中要产生一个感应电动势,且感应电动势的方向与减少的电流方向相同。由于电源支路已处于断开状态,所以这个逐渐减小的强电流要反向通过灯A,故灯泡要闪亮一下。
  3.问题
  ①教材中的实验不能定量显示電流的大小,仅仅通过灯泡的明暗来判断电流的大小,理论上可行。但暂态时间太短,效果不明显。
  ②本实验致命伤在于电流的方向不明确。通过楞次定律的学习,来解释演示实验,更像是验证性实验,失去了探究的意义。
  ③本实验的操作需要教师把电源、电阻、线圈自感系数、灯泡功率配比好。特别是断电实验容易把灯泡损坏或者现象不明显。
  二、传统实验
  1.通电演示
  电路电源接入10V直流电,灯泡更改成发光二极管。二极管具有单向导电性,可以让学生了解电流的方向。在接通瞬间,与线圈相联的二极管会慢慢亮起来。对比与变阻器相联的二极管,现象明显。
  2.断电演示
  电路在4V直流状态下接通,二极管由于单向导电性,不亮(不接通)。当断开瞬间,由于自感,二极管会闪一下,再慢慢熄灭。
  3.问题
  ①传统实验器材对教材实验进行了改进,灯泡换成发光二极管。使得对电流方向的探究更加明确了。但是,通过小灯泡的亮暗变化来描述电流瞬时变化,暂态时间太短,达不到预期的实验目的。即使灯泡显示渐变现象,也只是粗略地表征电路中电流的变化情况。
  ②特别是在断开演示时,学生会产生两个误区:
  a.学生对二极管闪亮印象深刻,会认为线圈中自感电动势产生与原来电流的方向相同的电流。因此,电路中实际电流是二者之和,电流会变大。
  b.自感电动势不会超过原电路的电动势。
  三、运用DIS实验进行探究
  1.DIS实验优势
  ①传感器、数据采集器、实验软件包、计算机构成新型实验系统。
  ②成功克服传统物理仪器的诸多弊端。有力的支持了信息技术和物理教学的全面整合。
  ③自感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.自感实验设计的改进
  ①按照实验装置图连接电路(上图),将毫安电流传感器和电压传感器接入数据采集器,然后将采集器与计算机连接。
  ②打开实验软件,分别对毫安电流传感器和电压传感器进行短接校准。
  ③实验时间选择10s,采集时间间隔1.25ms。通过K1闭合、断开,采集数据。
  ④实验结果
  K1闭合时,电感中的电流逐渐增大到最大值,电阻两端的电压立即增大到最大值。K1断开时,电感中的电流减小到0,电阻两端的电压瞬间达到反向最大值,然后逐渐减小到0。
  ⑤自感的数据分析研究
  a.由法拉第电磁感应定律可知:E∞
  b.实验表明,磁场的强弱正比于电流的强弱。也就是说:E∞L
  c.Ι-t图像可以看出,在整个变化过程中,电流的方向没有变化。但是,ΔΙ/Δt(电流的变化率)在闭合和断开瞬间都是减小的,最终为0。学生可以通过Ι-t图像的斜率k得到。可见,E自在减小,最终也为0,不再“阻碍”。在U-t图像中,学生可以发现,在开关断开瞬间,Uab