浅谈用DIS系统和传统实验研究自感现象

齐玲玲

摘 要：用DIS系统研究自感现象是在传统实验的基础之上，把传统实验中通电自感和断电自感现象中电流的变化趋势，通过DIS系统在计算机上清楚地呈现出来，帮助学生更好地理解自感现象中电流的变化。

关键词：DIS系统；传统实验；通电自感；断电自感

“数字化信息系统”即DIS（Digital Information System）实验技术，是由“传感器+数据采集器+实验软件+计算机”构成的新型实验系统。该系统成功地克服了传统物理实验仪器的诸多弊端，有力地支持了信息技术与物理教学的全面整合。它是利用传感器和数据采集器等仪器采集实验数据，然后传送到计算机，利用计算机对数据进行快速处理，分析后的数据由计算机进行显示。传感器主要包括电流、电压、压强、温度、声波、位移、力、磁、光电门等多种。它们的主要功能：实时地动态测量各种物理量并把它们统一转化成电信号送入数据采集器。

所谓“传统实验教具”，是根据教学需要而设计的可演示物理现象的仪器，可以是利用简单的工具和易得的材料因教而开发的自制教具，更加贴近生活而且能有效说明问题的创新型实验仪器和教具，满足实验教学需要；大部分是生产企业大规模生产的仪器。

本文将通过用两种不同的方式对自感现象进行研究，分析、对比传统实验和DIS系统实验的不同，以显示各个实验的优缺点，并提出自己对有关研究自感现象实验的一些观点。

《自感与互感》是普通高中课程标准实验教科书物理选修3-2中第四章第六节的内容，是在学习了电磁感应以后，对其的一个应用。自感现象是一个特殊的电磁感应现象，它是由于线圈中自身的电流发生变化而激发出感应电动势的现象。

一、通电自感现象的研究

1.传统通电自感实验

如图1电路图所示，在实验过程中，先闭合开关，调节滑动变阻器，使两个灯泡的亮度相同，然后断开开关开始做实验。闭合开关瞬间，发现与滑动变阻器串联的灯泡先亮，与线圈相连的灯泡后亮，最终两个灯泡达到亮度相同。

通过传统实验，可以明显地观察到在与线圈串联的支路中，由于电流的突然增加，线圈中产生自感电动势阻碍其增加，延迟了同一支路灯泡的亮起。

不足之处：亮度的判断只是感性的认识，两个灯泡中的电流是否相等，灯泡亮起来只是延迟了还是不但延迟而且电流大小会受影响呢？这些就显得不太严谨了。

2.用DIS系统研究通电自感现象

笔者最初研究该实验时，将图1中的电灯泡所在支路再分别用一个电流传感器代替了灯泡，电源用的是学生电源，因为开始用的是学生电源的直流输出，由于直流输出是通过一些电路把交流变成直流，存在不稳定性，电流传感器又比较敏感，实验可见性稍差，后来改用了稳恒输出（6V），这样输出的电流就稳定很多。如实物电路图所示：

具体操作：

（1）如上图，连接好电路线，闭合开关，滑动滑动变阻器，尽量使两条支路的电流相同。本实验中，没有线圈的支路的滑动变阻器的总阻值要大一些，否则两个支路的电流悬殊较大。（200？赘的电阻）尽量调整相同，但比较难，所以本实验的稳定电流分别是0.2A与0.3A.

本实验所用的线圈是经过多个线圈的尝试，最终选定的是学生自感线圈演示板上的线圈。如下图为实验中尝试的线圈。

（2）在计算机中打开Edislab程序，选择“物理实验”中的“自感现象”，取消“开启自动识别传感器”，在“实验配置”中选择“选择传感器”，删除“电压传感器”，添加两个“电流传感器”量程设定为“0.3A”，点击“确定”。

（3）待数据采集器的“通信”灯闪亮稳定后，对两个电流传感器进行调零，先点击“开始”进行采集数据，再闭合电路中的开关，几秒后点击“停止”，采集数据结束，断开电源，则通过电流传感器的电流在计算机上清楚地记录下来。

（4）分析数据：如下图所示（左边为具体数据显示；右边为电流与时间图像），可以从图中清楚地看到：闭合开关時，没有线圈的支路（CH2红色线）先达到稳定电流（0.03A）；有线圈的支路（CH1蓝色线），经过0.8s才达到稳定电流（0.02A），线圈在电流变化的电路中有自感现象，会使电流延迟达到稳定值，在电路稳定状态下和定值电阻相同。这一点用传统实验是达不到精确效果的。

实验过程中需要通过多次采集，因为电流传感器的灵敏性比较高，在采集数据时会把很多不稳定的因素体现出来，达不到实验的效果。截取2.4s后比较稳定的数据如下图所示：

二、断电自感现象的研究

1.传统断电自感实验

如图2电路图是传统断电自感现象实验电路图。在实验过程中，接通电路灯泡立刻正常发光，当断开开关时，可以看到灯泡会闪亮一下再熄灭。（本实验中要求灯泡的电阻大于线圈在直流电路中的电阻值）

通过传统实验，可以明显地看到，在断开开关时，灯泡不是立即熄灭，而是由于线圈中的电流突然减小，产生感应电动势，使断开开关后，线圈和灯泡形成回路，延迟了灯泡的熄灭。

不足之处：灯泡为什么会闪亮一下？灯泡的熄灭因为自感电动势的原因是否延迟了？传统实验就显出了不足之处。

当然，后来为了使实验更加明显，显示在断开开关后，由于线圈的自感现象，使灯泡在断开开关后的电流方向发生了变化，传统实验在演示实验板上把灯泡换成了二极管，如上面右图所示：闭合开关，二极管2发光；断开开关时，二极管1发光。说明在断开开关时，由于线圈的自感现象使电流的方向发生了变化，但仍然解决不了灯泡中的电流变化是否延迟。

2.传感器研究自感对电流的影响

为了更清楚地观察电路中电流的大小和方向的变化，以及变化与时间的关系，可以用电流传感器代替电路中的灯泡，通过数字化系统生成的电流随时间的图像可以直接观察电路中的电流变化。用电流传感器代替图2中的电灯泡，连接电路。

具体操作：

（1）如图2连接好电路图，用一个电流传感器代替电路中的灯泡，打开Edislab程序，选择“物理实验”中的“自感现象”，取消“开启自动识别传感器”，在“实验配置”中选择“选择传感器”，删除“电压传感器”，添加一个“电流传感器”，量程设定为“0.3A”，点击“确定”。

（2）待数据采集器的“通信”灯闪亮稳定后，对电流传感器进行调零，先点击“开始”进行采集数据，闭合电路中的开关，几秒后断开电源，再点击“停止”，数据采集结束，通过电流传感器的电流在计算机上清楚地记录下来。

（3）整体的实验结果图如下图所示：

为了方便进一步分析，将1.3s后的数据截取如下图所示分析：

可以从图中清楚地看到：在稳定电路中，线圈中的电流一直为-0.17A（负号表示设定的方向为反方向）。在断开开关（第1.9s）瞬间，如左上图分析与线圈并联的电流传感器中的电流由-0.17A变化为-0.16A到0.13A，最后减为0A，共经过1.3s时间电流由正向变小到反向最后减为零的过程，现象非常明显可见，（右上图为电流与时间的关系图）比传统实验更加清晰可见。

总之，通过传统实验与用DIS系统做实验对比，笔者发现传统实验比较方便，可见性比较高，对不进入深入理解来说，是完全可以的。使用DIS系统做实验，数据采集很精准，把不易观察的物理现象以图像的形式展示出来，增强理论性，提高学生的思维分析能力。

（作者单位：河南省实验中学）endprint