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依据器材创新设计

范文

刘成刚

摘要：教材所介绍的实验，大多只是原理性的，实际操作时，有时需要特定型号的器材，才会有理想的效果。当现有器材不具备原实验设计所达到的效果时，能否利用现有器材，对原实验设计进行成功改进或创新，是决定实验教学能否进行的关键。本文设计了三种“断电自感”实验，就是针对现有器材、易得器材，根据实验原理，对实验进行的4种有效改进和创新的实例。

关键词：现有器材；易得器材；改进创新；改进效果

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2016）12-0010-3

教材或教师教学用书中所介绍的实验，大多只是原理性的。如果仅是按仪器名称拿来的器材，不一定能达到应有的效果，可能还需要特定型号，因此实验前，有时还需要研究实验设计中器材所需的型号或参数。当实验室现有器材不能满足原实验设计所需的规格或参数时，教师能否立足于现有的器材，对原实验设计作适当的改进或创新，成为能否实现实验教学的关键。如果教师把这种过程在学生中再现，无疑也是对学生“科学思维、科学探究”核心素养的凝练。下面以教材设计的“断电自感”为例，展现利用现有器材、身边器材进行创新改进的过程。并对改进效果做了说明。

1 “断电自感”原实验设计

人教版物理选修3-2教师教学用书中，“断电自感”实验设计电路如图1。当开关S闭合后，B灯亮（二极管D2导通），A灯不亮（二极管D1截止）；当开关断开后，B灯不亮（二极管D2截止），A灯亮（二极管D1导通）[1]。下面是按图1设计的电路图和实验室现有器材进行的系列实验。

2 利用实验室现有器材进行实验

实验室中有存量较大的J2426型小型变压器，于是笔者想到用J2426型240匝线圈（连同铁芯）作为自感线圈，小灯泡规格用2.5 V，0.3 A。按图1进行实验，结果当干电池电源电动势为3.0 V时，开关闭合， B灯正常发光，A灯不亮；开关断开后，B灯熄灭，A灯不曾亮。电源电压增至6 V以上时，B灯或二极管D2将被烧坏，实验不成功。

3 原因分析

J2426型小型变压器240匝线圈，其自感系数约为150 mH，直流电阻RL为5 Ω，二极管的正向电阻约为4 Ω，二极管反向电阻约为1.4 MΩ，小灯泡发光时的电阻约为6 Ω。

B灯正常发光，电路稳定后，自感线圈中的电流IL（约0.6 A）大于A灯正常发光的电流（0.3 A），但由于线圈的自感系数（约150 mH）偏小，线圈和A灯构成的回路的驰豫时间τ=L/R（R为回路总电阻）[2]较短（约为0.01 s），因此电源断开后，电流降低过快，相应维持能使A灯发光的电流的时间过短，灯丝温度升高的不够，致使A灯不能发光。

4 方案改进

4.1 改进方案1

仍以J2426型小型变压器240匝作為自感线圈，在D2所在支路加一适当分压的电阻R，其他不变，以增加直流电源的电动势。如图2，这样闭合开关、D2支路小灯泡正常发光时，电感线圈支路的直流电流将增大，由于线圈和A灯构成的回路的驰豫时间不变，从而增大自感电动势，这样断开电键的瞬间，就能使灯发光甚至闪亮。

4.2 改进方案2

仍以J2426型小型变压器240匝作为自感线圈，将图1中D1和D2的一般二极管改为发光二极管，去掉灯泡，以免去考虑灯泡发光所需的所谓“热惰性”的困扰，如图3所示。

5 改进后的实验效果

5.1 方案1效果

图2中，分压电阻R为10欧，电源电动势为6 V，开关闭合后，B灯亮，A灯不亮，开关断开后，B灯熄灭，A灯亮一下熄灭，实验达到理想效果。

需要说明的是：灯能否发光不是单纯看驰豫时间，关键是看在大于或等于灯的发光电流的这段时间内电流做的功，这段时间内电流的有效值越大，时间越长，灯就越可能发光。例如：按图2，用J2423型变压器400匝（自感系约为193 mH ，直流电阻约为2欧姆）做自感线圈，干电池电压为3 V时，灯即可正常发光，电流可达约1.5 A，驰豫时间0.016 s，超过了改进方案1中J2426型小型变压器240匝的参数，但事实上，开关断开后，A灯却并未见亮。实验发现：电源电压要调到6 V，才能使开关断开后，A灯瞬间发光，而且会闪亮一下熄灭。因此，仍需按方案1中的图2进行。但用它的缺点是，器材笨重，实验室数量有限，不方便做线路板。

显然，对于直流电阻较大的自感线圈，单靠按方案1增加电动势是不方便的。以J2423型可拆变压器800匝（自感系数约为780 mH，直流电阻为20欧姆）做电感线圈为例。实验表明把电源电动势增加到25 V时，断开电路瞬间， A灯还不见亮，若继续增加直流电压，显然是不现实的。

5.2 方案2效果

图3中，两二极管为红色发光二极管，干电池电压为3 V，闭合电键，D2亮度十足，断开电键，D2熄灭，D1闪亮后熄灭，实验也达到理想的效果。

6 其他器材参数及改进

6.1 剃须刀充电变压器线圈做自感线圈的电路设计改进

出于好奇，笔者将剃须刀内的小型充电变压器的一组线圈（其自感系数L约为28.7 mH ，直流电阻为10 Ω）用方案2做实验。结果电源用3 V的干电池，实验基本成功，只是电键断开后，D1没有断开前D2亮。

改进方法是：在D2支路加一个5 kΩ左右的电阻R，结果是，在电源电压仍为3 V时，电键断开后的D1要比断开前D2亮些，达到闪亮的效果（如图4）。

6.2 J2426型小型变压器120匝做自感线圈的电路设计改进

如果自感线圈直流电阻过小，电路稳定后，会被自感线圈支路造成短路，使得电键闭合后，D2亮一下即熄灭了。电键闭合、断开，二极管交替闪烁发光。如用J2426型小型变压器120匝做自感线圈（其自感系数为49 mH，直流电阻为1.2 Ω）就会出现此情况。

改进的方法是：在电感线圈支路加适当电阻。如用J2426型小型变压器120匝做自感线圈（如图5），R1取2～5 Ω，R2取150～300 Ω，干电池电压为3 V，实验可取得显著效果。

以上实验，均用小型变压器的线圈充当自感线圈，体型小，器材易得，方便制作线路板，为学生进行探究分组实验提供了可能。

7 启示

看似原理简单的实验，不亲自去实践，很难知道其中隐藏的奥妙。只有在实践中才能发现问题，只有在理论指导下的对实践的科学分析，才能使研究有的放矢，找到有效改进实验的措施，增加取得实验成功的概率。

不拘泥于教材的设计，立足现有器材，注重理论分析，进行改进和创新，不仅切实解决了实验难点，真正发挥了实验在物理教学中的价值和作用，提高了课堂教学效果，而且无形中给学生传递着求新、求异、求美的意识，有了这种意识，创新思维的培养也就能水到渠成。

参考文献：

[1]普通高中标准实验教科书物理（选修3-2）教师教学用书（第4版）[M].北京：人民教育出版社，2010：35.

[2]程守洙，江之永.普通物理学（第五版）[M].北京：高等教育出版社，1998：364—365.

（栏目编辑赵保钢）

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