自感现象演示仪的设计、制作与教学

1 引言

目前，物理电磁感应章节中自感现象内容的教学，大多采用“J2446自感现象演示器”进行实验演示.该演示器将“通电自感现象”和“断电自感现象”用两组独立的器材分左右安装在同一块演示板上使用.为了达到演示效果，自感线圈用漆包线绕在较大的硅钢片铁芯上制成，因而器材只能是专业厂家生产，且成本较高、体积又大.特别是通电自感装置，要求提供的电源电压较高，实验时一般用学生电源供电.上述原因使得其只适合课堂教学演示，而不太适合学生分组实验.

事实上不管是通电还是断电，流过线圈中的电流均发生了变化，都会引起自感电动势的产生，都存在自感现象.但原演示器能看到通电自感现象的却不能看到断电自感现象；能看到断电自感现象的却不能看到通电自感现象，因而只能采用分开演示的办法，使学生在接受新知识的同时，仍有许多疑虑，不利于学生对所学知识点的理解和接受.再者，该演示器在演示通电和断电自感现象时，不能直观反映出自感电动势、自感电流的方向.

针对现有演示器的不足，我们设计制作了简洁廉价的、又能用同一套器材演示出通电和断电自感现象，且能直观反映出自感电动势、自感电流方向的仪器—自感现象演示仪.它既能用于教学演示，又适合学生分组实验.使学生能够自主学习、合作探究，达到更好地理解和掌握所学知识点的目的.

2 自感现象演示仪的实验原理和主要部件连线示意图

2.1 实验原理图

2.2 主要部件连线示意图

主要部件名称、连线示意如图2所示.

3 制作工具与材料

尖嘴钳，电烙铁，绕线机，直径约2.2 cm、高约4 cm的PVC套管一段（护线管），干电池二节，工作电压2 V～3 V的小型高亮度LED二枚（红、绿各一枚），用于LED安装的6 cm ×6 cm泡沫面板一块，与泡沫板等大的印有LED符号和连线的彩印纸一张，铁氧体磁芯一幅（或用废旧彩电行输出中的磁芯），约10 m长、线径0.5 mm漆包线一段，用于活动连接的铜质插针、插孔两幅（废旧电脑排线插接件中取用），0～0.6 A直流电流表一只，0～50 Ω滑动变阻器一只，电阻箱一只，开关一只，导线若干.

4 制作过程

4.1 实验线圈的制作

把直径约2.2 cm、高约4 cm的PVC套管加工成线圈骨架，将线径0.5 mm漆包线用绕线机在线圈骨架上绕150圈左右，线圈两端分别焊接连接导线和铜质插孔.PVC管两端用细铁丝制作与LED泡沫面板连接的支架.

4.2 LED面板的制作

将绘制好LED符号及连线的彩印纸粘贴在泡沫面板上，在面板上对应位置安装LED并在其反面按要求进行连线、焊接，上、下节点用不同颜色的细导线焊接并将其穿孔引至面板的正面，引线的另一端与插针连接.将线圈铁丝支架插入LED泡沫面板中，主要部件的制作完成.实物照片图如图3所示.

5 实验过程与分析

当开关S闭合的瞬间，流过线圈的电流增大，LED1闪亮，这就是在线圈中产生的通电自感所显现的效果.之后，电流表示数恒定，LED皆不亮.

开关S断开的瞬间，流过线圈的电流减小，LED2闪亮，这就是在线圈中产生的断电自感所显现的效果.开关S通、断变化，LED1、LED2交替闪亮.

为了论证开关S通、断变化时，LED1与LED2交替闪亮确为电流变化在线圈中引起的自

感现象.可保持电路其他器件不变的前提下，将线圈从电路中拆下，用电阻箱替代线圈接入电路；调节电阻箱阻值，使电路中的电流值与线圈在路时的数值相同，并将LED与电阻箱并接；然后通、断开关S，观察LED亮度有无变化.可发现，不管开关怎样通、断变化，LED皆不亮.为了进一步论证自感现象规律符合电磁感应的一般规律，让学生感受：变化的电流产生变化的磁场，引起磁通量的变化，产生感应电动势.闭合开关S后，用手缓慢提磁芯上半部分，可将磁芯整体提离桌面.这是因为，线圈通电产生的磁场使其中的磁芯磁化，磁芯上下之间具有吸引力所致；当断开开关S时，电流减小导致磁场减弱，磁芯间的吸引力减小，下半部分与上半部分分离，跌落到桌面；开关通、断变化，引起电流变化，磁场必然变化，磁通量的变化产生感应电动势，导致LED1、LED2交替闪亮.

在图2所示实验电路中，将线圈中的铁氧体磁芯移除后，通、断开关S，比较LED闪亮时的亮度，对比线圈中有磁芯时的情形，可发现LED的亮度明显减弱，由此说明，自感电动势的大小与线圈中有无磁（铁）芯有关.

在图2所示实验电路中，将LED插针从插孔中拔出.然后将插针与一节干电池正负极连接，此时LED达不到正常工作电压，皆不亮.用两节干电池串联后与插针相连，LED中与电池正向连接的被点亮，变换电池极性，另一LED被点亮.图2中，恢复插针与插孔连接，开关S闭合后，与电池正向连接的LED1不亮，表明此时加在正向连接的LED1两端的电压达不到其工作电压.开关通、断变化时，LED1、LED2交替闪亮，表明此时线圈中通入变化的电流产生的自感电动势相当于一个极性变换的电池在交替给LED供电，才使LED交替闪亮.这些直观的现象，有利于学生运用所学电磁感应的有关规律（主要是楞次定律），分析出线圈中产生的感应电动势的方向的特点，从而使学生更好地理解自感电动势总是阻碍原电流的变化这一结论.

该装置结构简单，整体电路所需电源电压为3～6 V，用干电池即可满足要求.自感现象直观、效果明显.生产过程中，与之相关材料技术性能的参数要求低，成本低廉，安全可靠，具有教学实用性.

6 学生自主实验探究自感现象片断实录

老师：请同学们按电路图连线，做到规范操作，电路电流控制在0.3 A左右.实验时，要根据观察到的现象开展对话交流与讨论，提出猜想，验证结论.

学生：

甲：电路连好了.

乙：再检查一下看：电源出来，接开关，再连接线圈，接电流表，接滑动变阻器，回到负极，二极管与线圈并联.没问题.