普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書(人教版)《物理》選修3-2,第14頁第6題。
如圖1所示,A和B都是很輕的鋁環(huán),環(huán)A是閉合的,環(huán)B是斷開的。用磁鐵的任意一極去接近A環(huán),會(huì)產(chǎn)生什么現(xiàn)象?把磁鐵從A環(huán)移開,會(huì)產(chǎn)生什么現(xiàn)象?磁極移近或遠(yuǎn)離B環(huán)時(shí),又會(huì)產(chǎn)生什么現(xiàn)象?解釋所發(fā)生的現(xiàn)象。
《教參》中提供的答案是這樣的:用磁鐵的任意一極(如N極)去接近A環(huán)時(shí),穿過A環(huán)中的磁通量增加。根據(jù)楞次定律,A環(huán)中將產(chǎn)生感應(yīng)電流,阻礙磁鐵與A環(huán)接近,A環(huán)將遠(yuǎn)離磁鐵;同理,當(dāng)磁鐵遠(yuǎn)離A環(huán)時(shí),A環(huán)中產(chǎn)生的感應(yīng)電流的方向?qū)⒆璧KA環(huán)遠(yuǎn)離磁鐵,A環(huán)將靠近磁鐵。
由于B環(huán)是斷開的,無論磁極移近或遠(yuǎn)離B環(huán),都不會(huì)在B環(huán)中形成感應(yīng)電流,所以B環(huán)將不移動(dòng)。
誠然,筆者在給學(xué)生做該演示實(shí)驗(yàn)并進(jìn)行分析時(shí),所得結(jié)論并非如此。
為此,筆者在實(shí)驗(yàn)室中找到磁性相對(duì)于條形磁鐵較強(qiáng)的環(huán)形磁鐵再一次進(jìn)行實(shí)驗(yàn),楞次定律演示器采用的是J2424型。實(shí)驗(yàn)時(shí)觀察到,當(dāng)磁鐵靠近A環(huán)時(shí),A環(huán)迅速離開,現(xiàn)象非常明顯。但是當(dāng)磁鐵迅速靠近B環(huán)時(shí),B環(huán)并沒有象我們預(yù)期的那樣靜止,而是有一定的移動(dòng),盡管其幅度沒有靠近A環(huán)時(shí)的幅度大。筆者最初以為是自己的手臂帶來的風(fēng)吹動(dòng)了B環(huán),所以又特意用手將B環(huán)推還回去。但又經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)后,證實(shí)并非是空氣的流動(dòng)使B環(huán)發(fā)生了移動(dòng)。實(shí)驗(yàn)事實(shí)表明:當(dāng)磁鐵靠近B環(huán)時(shí),雖然B環(huán)是不閉合的,但是B環(huán)仍然要發(fā)生移動(dòng)。
發(fā)生以上現(xiàn)象的原因是什么?
為此筆者和同事們展開了激烈的討論:一種觀點(diǎn)認(rèn)為,當(dāng)磁鐵靠近B環(huán)時(shí),A環(huán)中的磁通量仍然要發(fā)生變化,盡管其變化量小于B環(huán)中的磁通量的變化量,但A環(huán)中還是要產(chǎn)生感應(yīng)電流,從而阻礙磁通量的增加。然而這種觀點(diǎn)很快就被否定了,原因在于,這種分析所得到的B環(huán)移動(dòng)方向與我們所觀察到的B環(huán)移動(dòng)方向相反。這就說明B環(huán)的移動(dòng)與A環(huán)無關(guān)。
經(jīng)過進(jìn)一步地討論分析,筆者很快和同事們達(dá)成了共識(shí):當(dāng)磁鐵靠近B環(huán)時(shí),雖然B環(huán)是不閉合的,但是穿過B環(huán)的磁通量仍然是變化的。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律,B環(huán)中仍然要產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢,產(chǎn)生的渦漩電場會(huì)使B環(huán)中的自由電荷重新分布。在電荷重新分布的過程中,會(huì)產(chǎn)生短暫的瞬時(shí)電流,此時(shí)磁鐵與瞬時(shí)電流之間會(huì)產(chǎn)生相互作用,從而使B環(huán)發(fā)生移動(dòng)。
由上述分析可知,該習(xí)題設(shè)置的意圖在于正確應(yīng)用楞次定律:感應(yīng)電流的磁場總要阻礙引起感應(yīng)電流的磁通量的變化,而題目中B環(huán)是不閉合的,不符合產(chǎn)生感應(yīng)電流的條件,所以B環(huán)應(yīng)該不動(dòng)。這些都只適用于理想情況下的純物理模型,對(duì)于實(shí)際問題需經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。因?yàn)槲锢硎且婚T實(shí)驗(yàn)科學(xué),尊重物理事實(shí)是物理學(xué)的靈魂。本文不妥之處敬請(qǐng)各位同行批評(píng)指正。
(欄目編輯羅琬華)