由一道高考题引起的思考

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  (新沂市第一中学江苏 新沂221400)
  
  问题(2008年江苏)如图1所示的电路中,三个相同的灯泡a、b、c和电感L1、L2与直流电源连接,电感的电阻忽略不计.电键S从闭合状态突然断开时,下列判断正确的有
  A.a先变亮,然后逐渐变暗
  B.b先变亮,然后逐渐变暗
  C.c先变亮,然后逐渐变暗
  D.b、c都逐渐变暗
  关于本题的解释很多,较为普遍的一种是:电键S闭合时,电感L1和L2的电流均等于三个灯泡的电流,断开电键S的瞬间,电感上的电流突然减小,三个灯泡均处于回路中,故b、c灯泡由电流逐渐减小,B、C均错,D对;原来每个电感线圈产生感应电动势均加载于灯泡a上,故灯泡a先变亮,然后逐渐变暗,A对;故选A、D.
  1几点疑惑
  电键断开的瞬间.
  (1)电感L1和L2的电流何去何从?
  (2)b、c灯电流为什么逐渐减小,不可以增大吗?
  (3)a灯亮一下再熄灭,从何值开始衰减?
  2理论解释
  为便于分析设灯泡a、b、c的电流为i,则L1的电流为2i,L2的电流为i(如图2).
  断开S时,电感L1和L2及灯泡a、b、c,均构成闭合回路,由于自感L1和L2的电流不会马上消失,其中L1的电流将由2i逐渐减小(或增大),L2的电流将由i逐渐减小(或增大),至于电流到底是减小还是增大、以及回路中电流的流向可以如此分析:
  (1)假设L2的电流流经节点N时不分流且都从b灯流过,L1的电流经过节点M时,分成两路ΔIb和ΔIc,一路流过b,电流为ΔIb;一路流过L2和c,电流为ΔIc.则L2上的电流势必“增大”,将从(ΔIc i)开始衰减,根据楞次定律:“感应电流的磁场总要阻碍引起感应电流的磁通量的变化”.电感L2将产生“强烈”的阻碍(其作用相当于一个阻值巨大的电阻),又因为电感线圈上的电流延时是短暂的,所以L1上的电流几乎无法从L2上经过,从而全部从b灯上通过.
  (2)同理假设电感L1上的电流流经时节点M时都从b灯通过,L2上的电流流经时节点N时,分成两路,一路流过b,一路流过a灯和L1,则L1上的电流也一定“增大”,同样L1也会产生“强烈”的阻碍作用,于是L2的电流也只能从b灯经过,而 无法通过L1.
  (3)假设电感L1和L2的电流经过M、N节点时均分流即重新分配,根据(1)、(2)L1和L2的电流不会“增大”,因为一旦增大,电感线圈就产生“强烈”的阻碍,增大的部分无法通过.再根据电荷守恒定律,它们也不会“减小”,而只能从各自原来的电流开始衰减.
  综上:断开电键S的瞬间,L1的电流只能从左边的回路(L1、b、a)流过、L2的电流只能从右边的回路(L2、c、b)流过,如图3所示,于是:
  a灯的电流和L1一样都从2i开始减小,不过方向与断开前相反.
  c灯的电流和L2一样从i开始减小,直到熄灭.
  b灯的电流则是从:2i-i=i.即也是从i开始减小,直到熄灭.
  这就是说:S断开时,流过a灯的电流反倒比原来大了,亮一下再灭.而b、c灯都是从断开前原来的电流开始减小,逐渐变暗.故选A、D.
  3实验验证
  上述现象可以用实验来验证.
  实验器材:Timer数字实验软件,干电池6节,规格相同的小灯泡3个,滑动变阻器2个,规格相同的电感线圈2个(自感系数很大),电流传感器三个,开关1个,导线若干.
  实验步骤:
  (1)把电流传感器连接到数字采集器上,采集器连接到电脑上.打开Timre数字实验软件,先将电流传感器短接,再校准调零.
  (2)按照电路图4连接电路.闭合开关,调节滑动变阻器,使灯泡a、b、c内电流相同.
  (3)断开开关,点击软件上的“开始”,采集数据(时间为20 s~30 s)灯泡a、b、c内的电流变化图像如图5.
  (4)结论:a灯电流反向,且反向电流最大值比原电流值稍大,b、c灯电流逐渐减小.
  由此说明上述分析正确.
  4实验拓展
  (1)上面实验中,若调节滑动变阻器使通过a灯的电流比b、c灯小得多,这时断开开关,则a灯明显地亮一下再灭,且反向电流与原来相比悬殊更大(如图6),而bc灯内电流仍从原数值减小.
  (2)把L1、L2直接并联如图7,调节滑动变阻器使小灯泡内电流比L1小得多,纵然断开开关,也观察不到小灯泡亮一下再灭(实验现象是:小灯泡直接熄灭、开关两端之间发生火花).其中L1、L2内电流变化如图8所示.这表明开关断开时,L1的电流并没有流向L2,它们的电流都是迅速减小到零.可以这样理解:若L1的电流流向L2的话,会加快L1上的电流减小,由于“电磁惯性”这是L2决不允许的,因为L2正在阻碍自身电流的减小,理所当然外界要加速它的减小,必然会遭到它的“强烈”阻碍,所以L1的电流流不过来,L2的电流也流不过去,电流迅速变为零,电能迅速转化为内能.正因如此(ΔI/Δt的量值很大)L1的两端(或L2的两端)才产生很大的自感电动势,其方向与电源电动势的方向相同,两者之和最终加在了开关的两端使其产生电火花.
  综上所述:不论自感线圈内的电流是增大还是减小,由于“电磁惯性”线圈内电流总是从原来数值开始增大或衰减,而自感电动势总是在阻碍这些变化,线圈的自感系数越大,这种阻碍越强烈.所以我们在学习楞次定律时,要深刻理解“阻碍”的含义.
  对于连接有两个相同自感线圈的电路,电路断开后、在没有外界能量给予的情况下,线圈感应的电流不会高于原来的电流值,而只会从原数值开始衰减.
  
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