现行高中物理教材中自感现象演示实验操作不便,通电时灯泡发亮的时间差不明显,而断电时易烧断灯丝,又无法显示自感电动势的方向,整体效果差,且通、断电特性要拆装器材分别演示,很不方便,因此很有改进的必要。教学中笔者对这个实验的器材和方法作了以下改进。改进后的通、断电自感现象演示器具有电路简洁、取材容易、功耗低、操作简便(仅用按钮和小开关)等优点,并采用大型平面高亮度发光二极管显示不同的电流方向(画上箭号表示通过的电流方向),直观明显,现介绍如下。
一、实验装置
原理如图所示。
1.元件选择
自感线圈L用功率300W以上,初级直流电阻为30Ω左右的变压器(也可用“振荡电流演示器”的线圈)1个,电感量>150H为宜。LED管采用四管芯8引脚的2cm×1.5cm大方形平面(3cm2以上)高亮度发光二极管3只(其中白色发红光的2只,白色发绿光的1只),发光面的一端可用小锉锉成尖形箭号或画出尖形箭号(将箭号以外发光面用黑漆涂盖,使其发光时仅显出未涂部分)。因有多组管脚,所以应选配对应的双列8脚集成电路插座,并将每个LED管的4个管芯通过插座脚以并联方式焊接出二条引线使用,以提高亮度。整流二极管3只(可选用IN4007等,用于提高耐压,保护各LED管)。1W200Ω左右的带柄大电位器1只,测电笔用的氖气管1只,小单闸(或拨动开关)1只。小干电池盒1套。
2.制作装配
先用条木做一个底座高10cm,宽20cm,面板为40cm×35cm的示教板架,使面板架略向后倾斜,再用一块质量好的纤维板钉子支架面板上,用于安装电路元件,并将纤维面板涂白漆二遍,干后用小排笔在面板上按原理图的对应位置画出电路图和符号(红、绿发光管及电源极性可用相应的红、绿色画出),然后将方形发光二极管连座、按钮AN、开关K、氖管S装于面板原理图对应位置上;电位器R可从面板上钻一小孔,将柄端从里向外伸出,再用螺母将其锁紧在面板上,将整流管D1—D3、电池盒及跨接线等装在示教板后;线圈较重,可用带鳄鱼夹的导线临时连接安装,或固定在示教板底座后侧(线圈以最大匝数串入电路)。
安装完毕后,装上小电池,按下AN检查LED1、LED2是否发亮,并调整R使这二个发光二极管稳定发红光时亮度相同。再松开按钮AN切断电路,检查氖管是否辉光闪亮。最后闭合开关K使LED3与L并联组成闭合回路,检查松开AN(断电)时LED3是否突然闪亮发绿光,若以上实验有效,即达到设计要求,可用于教学。
二、实验方法
先出示教具,向学生简介电路原理,并指明各LED管发光时电流方向与箭号方向一致。
1.演示通电时自感现象
按下AN,可看出LED1立即发红光,而LED2滞后发亮。若连续快速按动AN,则这个时间差更为明显:每次LED1立即全亮,但LED2几乎来不及发亮。这种演示结果说明了通电时自感现象:通电时线圈L产生了通电自感电动势ε1,方向与电源电动势ε相反,从而阻碍了LED2中电流的立即增大,因此滞后发亮。(注意:这时氖管不亮是由于L两端的电压很低(<ε),所以不能起辉;而K闭合时LED3不亮则是这时的电流方向由左到右,与其导通极性相反而不导通。)
2.演示断电时自感现象
(1)先让开关K断开,使LED3支路不通,当松开AN时,电源被切断,LED1、LED2立即熄灭,但氖管却发出明亮闪光,然后熄灭,说明断电时L产生了断电自感电动势ε2,且达到了氖管的起辉电压(60V以上),才使氖管瞬间起辉闪亮,这就充分说明了“断电自感电动势ε2远大于电源电动势ε”(即ε2>>60V)。
(2)判断断电自感电动势ε2的方向:闭合开关K,使绿色LED3与线圈L并联,形成闭合回路,再重复松开AN演示断电自感,每次都可看到LED3闪发一下明亮绿光(这时因自感电流基本上都经由内阻相对小很多的LED3管通过,而氖管不再发出辉光),这又说明了线圈L断电时产生的断电自感电动势ε2方向与通电时相反:由右到左(这样LED3才能导通发光);从氖管的直流起辉发光偏向负极(左边)的特性也可判断ε2的方向是右正左负。
注:1.线圈L产生的断电自感电动势ε2,使红发光二极管LED1、LED2反向截止(不导通)而不亮。
2.该演示器在稍暗的室内环境显示效果更佳。
