對一種斷電自感實驗失敗的探析

在《互感與自感》一節(jié)教學(xué)中，做斷電自感演示實驗時，筆者碰到這樣一個狀況：由于課前準(zhǔn)備不足，少帶了一個電鍵，于是就用學(xué)生電源開關(guān)來控制電路，但無論怎樣，再也觀察不到小燈泡閃亮后再慢慢熄滅的實驗現(xiàn)象。后來回到實驗室與同事反復(fù)實驗、討論、研究，發(fā)現(xiàn)了問題所在，主要是用學(xué)生電源開關(guān)控制斷電時，改變了原來實驗的電路結(jié)構(gòu)，從而使小燈泡不再產(chǎn)生閃亮的實驗結(jié)果。
按現(xiàn)行教材提供的斷電自感演示實驗電路圖連接好電路，如圖1所示，當(dāng)電鍵斷開時，由于電感線圈L中的電流減小，產(chǎn)生與原來電流方向相同的自感電動勢，線圈L與小燈泡組成回路，使電流緩慢減小。又因小燈泡的原電流小于線圈L的電流，小燈泡還會閃亮一下，再慢慢熄滅。一般來說，只要線圈L的直流電阻小于燈泡的電阻，這個實驗現(xiàn)象還是比較明顯的，這里的干電池也可用學(xué)生電源來替代，均能得到同樣的實驗效果。
但是如果用學(xué)生電源開關(guān)直接來控制斷電，這個實驗電路結(jié)構(gòu)將發(fā)生變化。我們把學(xué)生電源簡化為：交流電流經(jīng)變壓器變壓、二極管整流、電容器濾波，最后輸出為穩(wěn)壓直流，如圖2左邊所示。圖2右邊就是斷電自感演示實驗電路圖。在實驗中，當(dāng)電源開關(guān)K1和電路電鍵K2都閉合時，小燈泡發(fā)光。當(dāng)電鍵K2斷開的瞬間，電感線圈L中的電流減小，產(chǎn)生與原電流方向相同的自感電動勢，與小燈泡組成回路，小燈泡出現(xiàn)閃亮，然后慢慢熄滅，所以用學(xué)生電源同樣能夠演示斷電自感現(xiàn)象。而當(dāng)K2一直處于閉合，將電源開關(guān)K1斷開來控制斷電，這時電感線圈L中的電流減小，產(chǎn)生與原電流方向相同的自感電動勢，但這時電感線圈L并沒有與燈泡組成回路，電感線圈L直接與學(xué)生電源內(nèi)部的二極管(V1、V4和V2、V3)組成了回路。由于這個感應(yīng)電流沒有通過小燈泡，這樣就觀察不到我們期待的小燈泡閃亮后熄滅的實驗結(jié)果。另外，電源內(nèi)部變壓器的線圈中由于斷路也會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，它產(chǎn)生的感應(yīng)電流還是會流過小燈泡，但這個感應(yīng)電流的最大值不會超過燈泡的原電流，所以也不會使小燈泡閃亮。
通過以上分析可知，用學(xué)生電源演示斷電自感現(xiàn)象時，不能用電源開關(guān)K1替代演示電路中的電鍵K2，否則就會改變原來的電路結(jié)構(gòu)而觀察不到斷電自感現(xiàn)象。我們教師平時在實驗前應(yīng)該對各種情況有所了解，對實驗中出現(xiàn)的問題不能隨意放過，不能忽視實驗的每個細(xì)節(jié)。而且教師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)慕虒W(xué)作風(fēng)、實事求是的實驗態(tài)度也是學(xué)生學(xué)習(xí)的榜樣。