基于Dislab的自感现象演示实验的改进

高中物理教材中关于通电，断电自感现象的演示实验如图1、图2所示.演示通电自感现象时，将图1中的电键闭合，调节可变电阻R使灯泡A1和A2的亮度相同.断开电键，再闭合电键，灯泡A1马上变亮，灯泡A2慢慢变亮，说明线圈L对电流的增加有阻碍作用.演示断电自感时，将图2中的电键由闭合状态断开，灯泡A在熄灭前的一瞬间闪一下，说明有感应电流产生.该实验的不足之处是断电时自感线圈对电流变化的阻碍作用不能直接观察到，影响到教学效果.甚至有学生提出疑问，为什么不直接用图1的装置来做断电自感实验.

1理论分析

令灯泡的电阻为R′，自感线圈的电感为L，直流电阻为RL，滑动变阻器的电阻为R.用图2中的装置做断电自感实验时，根据基尔霍夫第二定律

-LdIdt=I（RL+R′），

在初始条件I0=ERL条件下解得方程的解为

I=ERLe-RL+R′Lt，

由解析式可以看出，开关断开瞬间电流由I0=ERL呈指数衰减.由于电流衰减太快，很难直接观察到灯泡逐渐熄灭的过程.如果用图1的装置来观察断电自感现象，同理可以写出初始条件I0=ERL+R′条件下，电流衰减的解析式为

I=ERL+R′e-RL+R+2R′Lt，

可以看出电流的衰减更快.灯泡的发光亮度跟灯丝的温度有关.即使满足初始条件RL

2实验改进

由理论分析可知，断电时不能直接观察到电流的衰减过程的原因是因为电流衰减太快.而Dis实验相对于传统实验最大的优势是数据的采集和处理非常方便.郎威Dislab提供的电流传感器最大采集频率可以达到1000 Hz，如果利用电流传感器对电流变化过程进行观察，那么实验中存在的问题就迎刃而解了.在教学过程中笔者利用郎威Dislab结合原有实验装置，对通，断电自感现象进行探究，取得了很好的教学效果.实验装置如图3、图4所示，在原来的两个支路中串联电路传感器（图中用电流表符号表示），I1，I2，分别表示每个支路的电流.运用Dis中的通用软件观察I1，I2的变化图象.

3实验结果分析

3.1图3装置中的通，断电自感现象

通电时的电流变化如图5所示：I2马上达到最大值，I1增大到最大值的时间约为0.3s.所以自感线圈L阻碍了电流的增大.

断电时的电流变化如图6所示：I1逐渐减小，延续时间约为0.2 s.I2瞬间减小为零，然后有反方向的感应电流通过.说明了电流减小时线圈L阻碍了电流I1的减小.

3.2图4实验装置中的断电自感现象

当开关S断开时是I1和I2变化的I-t图象如图7所示：I1逐渐减小，持续时间约为0.22 s；I2突然减小为零，然后有反方向的感应电流通过，并且断开后有很短一段时间I2的值比断开前要大.说明自感线圈L对电流I1的减小有阻碍作用.

总结传统实验中没有观察到灯泡断电时逐渐变暗的过程是因为电流衰减太快.将DIS与传统实验整合，使师生从数据读取，记录，公式运算和图线描绘等繁琐的劳动中解放出来；对物理现象和物理规律进行深入的分析和讨论.电流传感器的最大采集频率可以达到1000 Hz，可以自感现象中电流的变化过程记录下来.所以我们对实验改进后很清楚的观察到了图1装置中的断电自感现象.整个实验演示下来，给学生的感觉更直观，易懂，有效提高了教学效率.