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        弄清電磁感應(yīng)相關(guān)問題的四原則

        2010-01-26 02:19:52楊端清
        物理通報 2010年7期
        關(guān)鍵詞:磁場方向

        楊端清

        (漢川市第一高級中學(xué) 湖北 漢川 431600)

        在電磁感應(yīng)現(xiàn)象中,總是同時存在相互關(guān)聯(lián)的諸多因素,如磁生電與電生磁、原電流與感應(yīng)電流、原磁場與感應(yīng)磁場、原磁場力與感應(yīng)磁場力、導(dǎo)線切割磁感線的外力與感應(yīng)電流的安培力、回路總的感應(yīng)電動勢與局部感應(yīng)電動勢等等.如何建立正確的物理模型進行分析,哪是主要因素?哪是次要因素?哪是原因?哪是結(jié)果?這些問題錯綜復(fù)雜,學(xué)生難以弄清.筆者在教學(xué)中總結(jié)出“四看四原則”,學(xué)生容易理解和具體操作.現(xiàn)結(jié)合實例分析說明.

        原則一——看能量傳輸:引起原因為主,產(chǎn)生結(jié)果為次

        圖1

        【例1】如圖1,光滑的平行導(dǎo)軌M、N固定在水平面上,放在導(dǎo)軌上的兩根導(dǎo)體棒a、b,跟導(dǎo)軌組成一個閉合回路;回路正上方有一條形磁鐵向下運動.則回路中感應(yīng)電流的方向和兩棒的運動情況是

        A.有順時針方向電流

        B.有逆時針方向電流

        C.兩棒相互靠攏

        D.兩棒相互遠離

        正確答案為A、C.

        分析:該題可分為兩個過程.第一個過程磁鐵靠近回路,原磁場增強,產(chǎn)生順時針感應(yīng)電流.磁通增加是原因,產(chǎn)生感應(yīng)電流是結(jié)果,磁場能轉(zhuǎn)化為電能.第二個過程兩棒受磁鐵磁場的安培力而運動.產(chǎn)生安培力是原因,兩棒相互靠攏運動是結(jié)果,電能轉(zhuǎn)化為機械能.從能量角度來說,全回路(包括兩導(dǎo)體棒和兩導(dǎo)軌)為“發(fā)電機”,同時兩導(dǎo)體棒又是“電動機”,并以電動機的身份表現(xiàn)出運動特征.全回路所產(chǎn)生的電能轉(zhuǎn)化為回路電阻上的內(nèi)能和兩導(dǎo)體棒上的機械能.若題中兩棒被固定,則全回路只表現(xiàn)為發(fā)電機,電能將全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能.

        學(xué)生往往“優(yōu)先”考慮兩導(dǎo)體棒運動切割磁感線,把產(chǎn)生的反電動勢與回路總電動勢相混淆,并以反電動勢的方向為感應(yīng)電流方向,因果關(guān)系顛倒,能量傳輸方向不明,得出相反的錯誤結(jié)論.

        原則二——看磁力作用:原磁場力為主,感應(yīng)場力為次

        在例1中,根據(jù)楞次定律,“結(jié)果反抗原因”,無論磁鐵是N極插入還是S極插入,a、b兩棒阻礙磁通增大而相互靠攏,同時,又因為兩棒中感應(yīng)電流的方向相反而有相互排拆力.原磁鐵的磁場比兩棒中感應(yīng)電流的磁場強度大得多,原磁場力比感應(yīng)電流之間磁場力大得多,因而兩導(dǎo)體棒最終表現(xiàn)為相互靠攏運動.

        但是,在某些特定情況下,感應(yīng)電流的磁場力對所研究的問題起決定作用而不能忽略.

        圖2

        【例2】1988年全國高考題(圖2):在水平放置的光滑絕緣桿ab上,掛有兩個金屬環(huán)M和N,兩環(huán)套在一個通電密繞長螺線管的中部.螺線管中部區(qū)域的管外磁場可以忽略,當(dāng)變阻器的滑動觸頭向左移動時,兩環(huán)將怎樣運動?

        A.兩環(huán)一起向左移動

        B.兩環(huán)一起向右移動

        C.兩環(huán)相互靠攏

        D.兩環(huán)相互離開

        正確答案為C.

        該題中的通電螺線管中部區(qū)域的管外磁場可以忽略,這是題設(shè)條件,則兩線圈感應(yīng)電流之間的作用力成為主要因素.無論R觸頭左移還是右移,兩線圈中都產(chǎn)生同方向感應(yīng)電流而吸引靠攏.此外,如果中間外部磁場不能忽略,原磁場也應(yīng)該是水平方向,只能使兩線圈產(chǎn)生沿半徑方向收縮力(R觸頭右移)或擴張力(R觸頭左移),沿水平桿運動效果完全由兩線圈自身的感應(yīng)電流的相互吸引力造成.

        上述現(xiàn)象可用已熟知的力學(xué)模型類比.在力學(xué)中,分析某物體的受力情況時,一般只考慮重力、彈力和摩擦力,而忽略空氣對物體的浮力和該物體跟周圍其他物體之間的萬有引力.但在分析氫氣球的運動時,必須考慮空氣對氫氣球的浮力;在分析卡文迪許扭秤實驗時,裝置中兩球之間的萬有引力產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)力矩,是本質(zhì)因素,不能忽略.

        原則三——看感應(yīng)強弱:多匝線圈為主,單線回路為次

        【例3】如圖3,帶鐵心的多匝線圈L1和L2相互靠近,并分別組成兩個閉合電路.當(dāng)開關(guān)S閉合的瞬間,流過電流計的感應(yīng)電流方向是由____到____.

        分析:多匝線圈中每匝線圈有同方向的電流,產(chǎn)生同方向的磁場,疊加后的總磁場比單線回路的磁場強得多,感應(yīng)效果最顯著.因此,物理學(xué)中把多匝線圈叫做電感元件.如果是帶鐵心的多匝線圈,感應(yīng)效果會更好.圖3中兩鐵心中的磁場方向為順時針閉合磁感線方向,開關(guān)S閉合時,電流從無到有增大,則L1中感應(yīng)電流的磁場方向與原磁場方向相反,所以感應(yīng)電流由a到b流過電流計.

        圖3 圖4

        在有多匝線圈的情況下,要以多匝線圈作為研究對象,忽略單線回路的電磁感應(yīng)效果;但是,如果只有單線回路,則單線回路的電磁感應(yīng)效果起決定作用而不能忽略.如圖4所示,開關(guān)S閉合瞬間,因為右邊回路中電流的磁場在左邊回路中方向垂直紙面向外且增強,左邊回路中必產(chǎn)生垂直紙面向里的感應(yīng)磁場,則流過電流計的感應(yīng)電流方向由b到a.

        原則四——看整體效果:總磁通變?yōu)橹?,局部感?yīng)為次

        【例4】如圖5,矩形線圈abcd在勻強磁場中從靜止開始下落,線圈平面垂直于磁場方向.求線圈下落h高時的速度.

        圖5 圖6

        綜上所述,可見在研究較復(fù)雜的電磁感應(yīng)現(xiàn)象時,采用“四看四原則”是行之有效的,是建立理想化物理模型的重要依據(jù).要具體問題具體分析,弄清主要因素和次要因素,必要時忽略次要因素,把握問題的關(guān)鍵.還應(yīng)該注意到同一因素在一種情境下是次要因素,在另一種情境下可能是主要因素.抓主要因素建立物理模型,也是解決其他物理問題的基本出發(fā)點.

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