对一种断电自感实验失败的探析

在《互感与自感》一节教学中，做断电自感演示实验时，笔者碰到这样一个状况：由于课前准备不足，少带了一个电键，于是就用学生电源开关来控制电路，但无论怎样，再也观察不到小灯泡闪亮后再慢慢熄灭的实验现象。后来回到实验室与同事反复实验、讨论、研究，发现了问题所在，主要是用学生电源开关控制断电时，改变了原来实验的电路结构，从而使小灯泡不再产生闪亮的实验结果。
按现行教材提供的断电自感演示实验电路图连接好电路，如图1所示，当电键断开时，由于电感线圈L中的电流减小，产生与原来电流方向相同的自感电动势，线圈L与小灯泡组成回路，使电流缓慢减小。又因小灯泡的原电流小于线圈L的电流，小灯泡还会闪亮一下，再慢慢熄灭。一般来说，只要线圈L的直流电阻小于灯泡的电阻，这个实验现象还是比较明显的，这里的干电池也可用学生电源来替代，均能得到同样的实验效果。
但是如果用学生电源开关直接来控制断电，这个实验电路结构将发生变化。我们把学生电源简化为：交流电流经变压器变压、二极管整流、电容器滤波，最后输出为稳压直流，如图2左边所示。图2右边就是断电自感演示实验电路图。在实验中，当电源开关K1和电路电键K2都闭合时，小灯泡发光。当电键K2断开的瞬间，电感线圈L中的电流减小，产生与原电流方向相同的自感电动势，与小灯泡组成回路，小灯泡出现闪亮，然后慢慢熄灭，所以用学生电源同样能够演示断电自感现象。而当K2一直处于闭合，将电源开关K1断开来控制断电，这时电感线圈L中的电流减小，产生与原电流方向相同的自感电动势，但这时电感线圈L并没有与灯泡组成回路，电感线圈L直接与学生电源内部的二极管(V1、V4和V2、V3)组成了回路。由于这个感应电流没有通过小灯泡，这样就观察不到我们期待的小灯泡闪亮后熄灭的实验结果。另外，电源内部变压器的线圈中由于断路也会产生感应电动势，它产生的感应电流还是会流过小灯泡，但这个感应电流的最大值不会超过灯泡的原电流，所以也不会使小灯泡闪亮。
通过以上分析可知，用学生电源演示断电自感现象时，不能用电源开关K1替代演示电路中的电键K2，否则就会改变原来的电路结构而观察不到断电自感现象。我们教师平时在实验前应该对各种情况有所了解，对实验中出现的问题不能随意放过，不能忽视实验的每个细节。而且教师严谨的教学作风、实事求是的实验态度也是学生学习的榜样。