覃彬
摘要：自感现象是高中物理学习的难点，教师在课堂上做的演示实验对学生正确认识和理解自感现象具有重要的意义。本文结合课堂教学要求，针对学生学习自感现象存在的误解，通过对自感现象的分析，对自感现象的演示实验进行探究，并对实验进行了改进，增强实验的趣味性和新颖性，充分发挥了物理演示实验的功能。在对自感现象演示实验探究与改进的基础上，对这些演示实验的综合分析及从教学法的角度来考虑，使学生能够比较直观地了解实验现象，并能消除学习自感现象中的误解，提出对自感演示实验改进的几点具体措施和方法，在消除学生学习困难，提高学生的理解能力和科学素质，促进学生的学习上有所帮助。
关键词：自感发现；理论分析；实验改进
自感现象的实验演示一直是高中物理的必做实验。不少物理教师感到这个实验比较难做好，换个角度考虑，从物理教学实验方法和学生学习、理解方面来看，都有进一步研究和讨论的必要。
图1和图2分别是高中物理课本所采用的演示实验电路图。图1的电路用于演示通电时的自感现象：当S接通时，可见到A2几乎立即变亮，而A1是逐渐变亮的(尽管最后稳定时与A2亮度一致)，这说明在接通电源时，线圈中有自感电流产生，阻碍电流的曾加。
图2的电路用于演示断电时的自感现象：当S接通时，灯泡A正常发光情况下，断开S，可看到A灯闪亮一下之后熄灭。尽管一般实验闪亮的持续时间极短，也看不出灯泡熄灭的过程，但利用灯泡在S断开后闪亮的事实，可以说明由电感、电灯组成的回路中在外接电源己断开的情况下确实还有电流通过，这只能是线圈在断电时产生的自感电流所致。
在中学物理课中引入自感概念的实验，存在明显的不足，主要是实验现象没有突出自感的本质特征，而所表现的某些现象又易被学生曲解。当图2电路断电时，灯泡A应该突然出现耀眼的闪光或看到“过一会儿才渐渐熄灭”，但这些现象极为短暂，学生不容易观察到。即使能够观察出来，也不能充分说明是由自感而引起的，因为没有同时演示出无自感线圈影响下灯泡的明亮情况[4]。由于通、断电自感现象是用两个线路分开演示的，这样容易使学生对通、断电自感现象的本质产生因线路而异的错觉。对于图1线路，根据A1较A2后亮这一现象，经过仔细分析可以判别出自感电动势的方向。但对于图2线路即使能观察出现象也无法判别出自感电动势的方向。
有研究表明，该实验方案有两点不足：a.实验现象不够明显，在图1中，两个灯泡A1和A2达到正常亮度的时间间隔较小，没有明显的先后差别。在图2中，很难看到灯泡有更亮的一闪,然后再熄灭。b.由于用两个实验电路来分别演示电路接通与断开时所产生的自感现象，做完实验后，学生常常向教师提出这样的疑问：用图1为什么不能演示电路断开时的自感现象？难道当图1中的开关S断开时，电路中没有自感现象？高中学生对自感现象有一些错误的理解，具体表现如下三类：①认为通电的线圈在断电时,通过线圈的电流会有一个瞬时增大的过程；②断电过程中，自感电动势必然很大，远远超过电源的电动势；③自感电动势的大小与开关动作的速度有关，快速通断电时自感电动势很大。
“自感”是教学难点，要做好“通电自感”和“断电自感”两个演示实验，则是突破本节教学难点的关键。课本设置“断电自感”演示实验，目的是使学生通过观察和了解电源断开时，通过小灯泡电流大小和方向变化情况，从而产生对自感现象的感性认识。但当我们按照课本图2做演示时，一般很难达到本实验的预期目的：它无法反映当S断开时，通过小灯泡电流方向的突变。由于电流延迟量较小，且在断电时刻，观察者无法准确确定，因此，电流“延迟”现象在实验中表现不明显。笔者认为该实验存在一定的不足，它容易使学生误认为，只有小灯泡“突然一亮”才会产生自感现象，或者认为发生自感时，小灯泡的电流就一定比稳态时大。实际上灯泡的“突然一亮”并不是自感的必然结果，它只是为了使我们能通过观察到电流大小突变而有意设计的这一现象。综合上述的几点存在的问题，为了达到我们的教学目的，直观的反映演示实验结果，我们首先对自感现象进行分析总结。
首先，图1和图2所示的电路都含有两个回路，用于作为向初学者引入自感概念的实验，则过于复杂。学生不易从所表现的实验现象中分辨和把握本质特性。同时，通、断实验装置分离，易给学生一个错觉，仿佛在一个电路中只有在通电时才有自感现象发生，而另一个电路中只有在断电时才有自感现象发生。
其次，图2所示的电路显示了在电源断开时灯泡比原来更亮一下的现象，这给学生的感觉刺激是很强烈的。然而，它对自感现象来说，却属于非本质的现象。因为它要使灯泡闪亮，不仅要有线圈的存在，即要有暂态过程，而且必须满足R(线圈)<R(灯泡)的条件。因此，灯泡闪亮的现象虽然足以说明自感的存在，但没有此现象时，并不表明自感不存在。这说明实验所表现的现象与所要说明的物理内容之间的因果联系并不是必然的、唯一的，对灯泡闪亮的原因，不少学生很自然的理解为是通过线圈的电流也很大，超过了稳定时的电流值，因为这些学生中有一部分人原来理解楞次定理就存在误念，认为由于感应电流阻碍电流减少，结果是电流反而瞬时增大；而另一部分学生则认为灯泡闪亮说明加于其两端的电压很高，因而通过线圈的电流也一定很大。
实际上，自感的本质是线圈具有电磁惯性，表现为通过线圈的电流变化被延时，即电流的变化总需要一个过程，不可能瞬时发生。因此，如果不突出这一物理特征或将它混杂在复杂的现象之中，学生是难以准确把握自感概念的。
在实验室中常用如上两图所示的电路来完成以上两个实验，小灯泡A1、A2规格相同，先调节R使两灯泡的发光亮度相同。在作第一个实验时接通S，由于电感支路中电流的滞后，灯泡A1比灯泡A2要晚亮一段时间。但实际实验的效果不佳，有时为了证明这个现象，故意把灯泡A2调得亮些，这实际上已失去了实验的意义。
针对现行的自感演示实验的不足之处，下面介绍一个具有代表性的实验改进方案：
改进方案[8]：如图3所示，D1、D2为两只相同型号的二极管，A、B为两只完全相同的灯泡，L为自感线圈，所有器材均安装在同一块示教板上，安装时要注意尽量使二灯靠近，以增强实验时两灯发光情况的可比性，闭合S，由于二极管的单向导电性，使学生通过实验观察到A、B两灯不能同时发光，但通过改变电源正负极接法而使不同的灯泡发光，明确发光灯泡不同，电流方向也不同。断开S之前，则A灯发光。当断开S时，A灯熄灭(二者总是同时发生的)，同时原先不发光的B灯发生了“突然一亮，而且比A灯发光时更亮，然后逐渐熄灭”的现象。通过A灯熄灭，B灯发亮，知A灯与B灯并联的EF电路电流方向发生了改变，即由断开前电流方向由E经灯A、二级管D1到F而变为电流从F经二极管D2、灯B到E，又由于开关S断开电流不可能回到电源，所以电流必然在线圈L与灯B组成的回路中流动。故知线圈L中有电流且在开关S断开后，电流方向不变；灯泡“突地一亮”说明了电流大小的突变，即通过B灯的电流比断开S前通过A灯的电流大；另外，A灯熄灭时刻即是电源断开时刻，B灯发光完全是电流“延迟”的结果，本实验较好地解决了电流“延迟”现象的直观性问题。
这个方案较好地解决了发生“断电自感”时通过小灯泡电流方向突变和线圈L中有电流且方向不变，以及电流“延迟”现象的可视性问题，这为本节课进一步分析自感现象产生的原因做了很好的铺垫。
演示实验，是物理教学过程中将理论与实际相结合的重要方法之一，也是激发学生学习兴趣，启发学生思维，提高物理教学质量的重要手段。物理实验教学是有助于学生理解和掌握物理学的理论，是提高学生分析问题、解决问题不可缺少的教学环节。它使学生在如何运用理论知识、实验方法和实验技术解决科技问题得到必要的基本训练，对于培育学生严谨的科学作风、实事求是的科学态度、辩证唯物主义世界观以及良好的实验室工作习惯，也有着不可忽视的作用。因此，加强与改进物理实验教学，对提高学生能力是重要的一环。
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作者单位：广西柳城县实验高级中学
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