呂爭(zhēng)光

(安徽省濉溪二中 安徽 淮北 235100)

在高中物理電磁感應(yīng)一章里，有這樣兩道有關(guān)磁通量判斷的題目.

【例1】當(dāng)一個(gè)線(xiàn)圈平面與條形磁鐵的軸線(xiàn)垂直(如圖1，注意線(xiàn)圈套在磁鐵上)，并且沿平行于軸線(xiàn)方向從磁鐵一端移到另一端的過(guò)程中，穿過(guò)線(xiàn)圈的磁通量是如何變化的？

圖1 圖2

【例2】水平放置的扁平條形磁鐵，在磁鐵的左端正上方有一線(xiàn)框，線(xiàn)框平面與磁鐵垂直，當(dāng)線(xiàn)框從左端正上方沿水平方向平移到右端正上方的過(guò)程中，穿過(guò)它的磁通量的變化是

A．先減小后增大 B．始終減小

C．始終增大 D．先增大后減小

如果問(wèn)線(xiàn)圈中的感應(yīng)電流方向可由楞次定律判斷，即感應(yīng)電流的磁場(chǎng)總是阻礙引起感應(yīng)電流的磁通量的變化.因此，只要知道了磁通量的變化，便能判斷出感應(yīng)電流的方向，故歸根結(jié)底還是要判斷出磁通量如何變化.

對(duì)于例1，各種資料基本上都能給予統(tǒng)一的解釋.畫(huà)出條形磁鐵周?chē)拇鸥芯€(xiàn)分布圖，因?yàn)闂l形磁鐵內(nèi)部的磁感線(xiàn)從S極指向N極，而外部磁感線(xiàn)從N極到S極.且內(nèi)部密集，外部相對(duì)較稀疏，在中間最稀疏.故在線(xiàn)圈處于條形磁鐵中間位置時(shí)，在線(xiàn)圈內(nèi)且在磁鐵外區(qū)域的磁感線(xiàn)較少，又因?yàn)榉謩e向兩個(gè)相反方向穿過(guò)同一個(gè)面的磁通量可以相互抵消.故在線(xiàn)圈處于條形磁鐵中間位置時(shí)磁感線(xiàn)抵消得少，即剩余的磁通量多.因此，線(xiàn)圈位于條形磁鐵中間位置時(shí)磁通量大.用這個(gè)理論便很容易解釋?zhuān)?dāng)線(xiàn)圈套在條形磁鐵上且位于中央位置時(shí)，如將線(xiàn)圈面積擴(kuò)大，則磁通量抵消得多了，故合磁通量將減少，可總結(jié)為環(huán)套磁鐵，合磁通兩邊小，中間大，且環(huán)大合磁通將減小，若環(huán)無(wú)限大，則合磁通為零.

但用這個(gè)理論解釋例2時(shí)便出現(xiàn)了問(wèn)題，因?yàn)榇藭r(shí)合磁通量已無(wú)抵消的情況.按照中間磁感線(xiàn)稀疏的結(jié)論，中間的磁通量應(yīng)該最少.然而，不少資料書(shū)卻給出了磁通量中間最大，持此種觀(guān)點(diǎn)的人認(rèn)為中間的磁感線(xiàn)和線(xiàn)圈平面垂直，而兩邊的不垂直，故中間的磁通量最大.

筆者又查閱了不少資料，其中部分資料對(duì)此避而不談，而通過(guò)網(wǎng)上檢索和搜集的資料來(lái)看,認(rèn)為線(xiàn)圈位于條形磁體中間位置時(shí)磁通量大和認(rèn)為線(xiàn)圈位于條形磁體中間位置時(shí)磁通量小的都占有較大的比例，且眾說(shuō)紛紜.為了搞清結(jié)果，筆者帶領(lǐng)學(xué)生上了一節(jié)探究課，課題為“探究?jī)煞N情況磁通量的變化”，因?yàn)閷?shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn).

從哪開(kāi)始探究呢？經(jīng)過(guò)思考，該課題探究參考了楞次定律的研究過(guò)程,即因?yàn)榇艌?chǎng)和磁通量不好直接判斷，便通過(guò)感應(yīng)電流來(lái)間接研究.課本上也正是先判斷出電流表的指針偏轉(zhuǎn)方向和電流方向間的關(guān)系，再通過(guò)磁鐵和導(dǎo)體棒、螺線(xiàn)管分別作用，使其產(chǎn)生感應(yīng)電流，由電流表指針偏轉(zhuǎn)進(jìn)而倒推出感應(yīng)電流方向，最后，再由右手螺旋定則判斷出感應(yīng)電流的磁場(chǎng)， 并和原磁場(chǎng)比較,總結(jié)出感應(yīng)電流的磁場(chǎng)與引起感應(yīng)電流的磁場(chǎng)(即原磁場(chǎng))的關(guān)系.最后,通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)后總結(jié)出感應(yīng)電流的磁場(chǎng)總是阻礙引起感應(yīng)電流的磁通量的變化，即楞次定律.

為此，筆者按以下思路進(jìn)行探究：先搞清電流方向與靈敏電流計(jì)指針偏轉(zhuǎn)方向間的關(guān)系，然后，讓線(xiàn)圈和磁鐵發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生感應(yīng)電流.再看感應(yīng)電流導(dǎo)致靈敏電流計(jì)指針偏轉(zhuǎn)方向，進(jìn)而倒推出線(xiàn)圈中感應(yīng)電流的方向.判斷出感應(yīng)電流的磁場(chǎng)，再根據(jù)楞次定律，即感應(yīng)電流的磁場(chǎng)總是阻礙引起感應(yīng)電流的磁通量的變化確定線(xiàn)圈內(nèi)磁通量如何變化.這也是楞次定律的具體應(yīng)用，且可以加深學(xué)生對(duì)楞次定律內(nèi)容的理解.

筆者先帶領(lǐng)學(xué)生研究例1的情況，用試觸法或連接成如圖3所示電路進(jìn)行判斷.

當(dāng)電流從正接線(xiàn)柱流入時(shí)，靈敏電流計(jì)指針右偏，從負(fù)接線(xiàn)柱流入時(shí)，靈敏電流計(jì)指針左偏.

圖3 圖4

再將線(xiàn)圈和靈敏電流計(jì)連成一個(gè)回路(圖4)，搞清線(xiàn)圈繞向和流入靈敏電流計(jì)電流而導(dǎo)致的電流表指針偏轉(zhuǎn)方向的關(guān)系(用紅、黑兩種顏色導(dǎo)線(xiàn)分別接到紅、黑接線(xiàn)柱上，即從紅色線(xiàn)流入紅接線(xiàn)柱經(jīng)電流表黑接線(xiàn)柱流出而導(dǎo)致靈敏電流計(jì)指針右偏).然后研究此時(shí)線(xiàn)圈的兩面.從正面看去，若有電流應(yīng)為逆時(shí)針?lè)较?則由右手定則可知,感應(yīng)電流磁場(chǎng)則從背面指向正面，即垂直紙面向外.

開(kāi)始試驗(yàn)，條形磁鐵水平放置，且左側(cè)為N極.將線(xiàn)圈從條形磁鐵最左側(cè)套上，移向中間，靈敏電流計(jì)指針左偏，電流為順時(shí)針，感應(yīng)電流的磁場(chǎng)向右，原磁場(chǎng)向左增加，或向右減少，深入分析可知原磁場(chǎng)只能向左，故原磁場(chǎng)向左且在增加.將線(xiàn)圈從條形磁鐵中間移向右端，靈敏電流計(jì)指針右偏，則電流經(jīng)過(guò)紅接線(xiàn)柱流進(jìn)電流表，線(xiàn)圈電流從正面看為逆時(shí)針，故感應(yīng)電流磁場(chǎng)向左，原磁場(chǎng)向左減少.這與理論解釋符合得很好.

有了第一種探究的思路和結(jié)論，增加了學(xué)生的自信，筆者又帶領(lǐng)學(xué)生探究例2的情形.將幾個(gè)條形磁鐵并排放于實(shí)驗(yàn)桌上，充當(dāng)題中的扁平條形磁鐵，將線(xiàn)圈放于條形磁鐵之上，從左端移到中間，靈敏電流計(jì)指針右偏，從紅色線(xiàn)流入靈敏電流計(jì)，故電流從正面看為逆時(shí)針，所以，感應(yīng)電流的磁場(chǎng)向左，又因?yàn)樵艌?chǎng)向右，故只能是磁通量增大.將線(xiàn)圈從條形磁鐵中間向右移動(dòng)的過(guò)程中，靈敏電流計(jì)指針左偏，即電流從黑色線(xiàn)流入靈敏電流計(jì)，電流從正面看為順時(shí)針?lè)较?，故感?yīng)電流磁場(chǎng)方向向右，又因?yàn)樵艌?chǎng)方向向右，故磁通量減少.整體看來(lái)，當(dāng)線(xiàn)圈位于條形磁鐵上方且從左向右移動(dòng)的過(guò)程中，穿過(guò)線(xiàn)圈的磁通量先增大后減少，且中間的磁通量最大.

如此看來(lái)，這就和中間磁通量少相矛盾了.如何解釋呢？筆者又做了一些理論探究.在圖2中，線(xiàn)圈abcd運(yùn)動(dòng)方向基本和磁感線(xiàn)在同一面，可近似認(rèn)為不切割磁感線(xiàn)，而兩條與條形磁鐵平行的邊切割磁感線(xiàn)的豎直分量，如圖5所示.

圖5

由圖5可知，當(dāng)線(xiàn)圈從條形磁鐵左側(cè)移向中間時(shí)，ad邊向右運(yùn)動(dòng)切割磁感線(xiàn)產(chǎn)生的電流方向?yàn)閺膁到a，bc邊向右運(yùn)動(dòng)切割磁感線(xiàn)產(chǎn)生的感應(yīng)電流方向從c到d.由圖5可知bc邊切割產(chǎn)生的感應(yīng)電流大，故整個(gè)線(xiàn)圈感應(yīng)電流為adcb方向，因此，線(xiàn)圈中感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向水平向左，又因?yàn)樵艌?chǎng)方向水平向右，由楞次定律可知，磁通量應(yīng)增大，同理，當(dāng)線(xiàn)圈從條形磁鐵中間向右移動(dòng)的過(guò)程中，磁通量應(yīng)減少.

由實(shí)驗(yàn)和理論分析可知，兩種情況應(yīng)選用不同的模型來(lái)處理.然后，筆者又將學(xué)生分組，用此法繼續(xù)研究磁鐵、線(xiàn)圈模型中可能出現(xiàn)的其他情況，如線(xiàn)圈平行條形磁鐵從遠(yuǎn)處靠近或遠(yuǎn)離磁鐵等情況.每組學(xué)生有記錄、有總結(jié)，有發(fā)言人.學(xué)生興趣盎然，討論激烈.最后，匯報(bào)時(shí)人人充滿(mǎn)自信，體驗(yàn)了研究過(guò)程和獲得成功的快樂(lè).

因此，筆者認(rèn)為，對(duì)于高中物理中有爭(zhēng)議的問(wèn)題，教師應(yīng)勇敢面對(duì)，帶領(lǐng)學(xué)生去研究.也許因某種情況的制約可能得出錯(cuò)誤或不全面的結(jié)論，但學(xué)生在這一過(guò)程中所學(xué)到的科學(xué)研究方法和過(guò)程卻可以終身受用.這才是學(xué)習(xí)的真諦之所在，即重在過(guò)程，學(xué)會(huì)學(xué)習(xí)，享受學(xué)習(xí)，并能體會(huì)到學(xué)習(xí)研究之快樂(lè).

參考文獻(xiàn)

1 人民教育出版社編輯室.《普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書(shū)》物理3-5.第三版.北京：人民教育出版社,2010

2 陳合森.對(duì)一道磁通量習(xí)題的證明.中學(xué)生數(shù)理化.2010