原海川

（晉城職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 晉城 048026）

法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)定律的幾個關(guān)鍵

原海川

（晉城職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 晉城 048026）

觀察和實驗會積累大量資料和豐富的知識，分析論證會使人的思維更加敏捷，思路更加靈活。正是由于法拉第一次次的實驗，一遍遍的思考，才導(dǎo)致了發(fā)電機的產(chǎn)生，從而使人類提前進入了電的時代，電能才得以廣泛應(yīng)用。

思維；興趣；執(zhí)著；觀察；實驗

19世紀(jì)初期，由于牛頓三大定律的誕生，使物理學(xué)的發(fā)展有了前所未有的進步，而此時的電學(xué)和磁學(xué)研究還處于初級階段。直到1820年當(dāng)奧斯特發(fā)現(xiàn)了電流的磁效應(yīng)后，電學(xué)和磁學(xué)的研究才有了重大突破。但在當(dāng)時的物理學(xué)界，大多數(shù)學(xué)者認(rèn)為奧斯特的電流磁效應(yīng)就是電與磁的全部關(guān)系，幾乎沒有學(xué)者研究電與磁的相反效應(yīng)，即磁的電流效應(yīng)。直到法拉第有了新的發(fā)現(xiàn)為止，電與磁的關(guān)系才完整地呈現(xiàn)在人們面前。法拉第如何探索磁電流效應(yīng)，電磁感應(yīng)定律是怎樣被發(fā)現(xiàn)的，他成功的奧秘是什么？統(tǒng)觀法拉第探索磁效應(yīng)的全過程，我認(rèn)為有幾個重要環(huán)節(jié)值得關(guān)注：

一、獨特的思維方式是法拉第電磁感應(yīng)定律成功的基礎(chǔ)

法拉第獨特的思維方式是指：如果自然界存在某一現(xiàn)象，那么這一現(xiàn)象的映像或?qū)ΨQ就一定會存在。正是由于這種對稱和映像的存在，才使自然界的現(xiàn)象變得更加豐富、和諧。眾所周知，自然界中的對稱多種多樣，其中物理學(xué)中的對稱最為普遍。除常見的空間對稱、時間對稱、時間和空間同時對稱外，還有入射角和反射角的對稱、平面鏡成像中的像與物對稱、電學(xué)中的正電荷與負(fù)電荷、磁學(xué)中的N極和S極、光學(xué)中的入射光與反射光及光路的可逆性等等。而拋體運動中物體上拋運動的時間和物體返回的時間相等，分子的熱運動中向分子各個方向的時間幾率相等，顯示出了它們的時間對稱。簡諧運動中單擺、彈簧振子的運動，在距平衡點相同距離任意兩側(cè)的點所受到的恢復(fù)力、速度、加速度的大小，方向相反相等，運動軌跡相似展示出了它們時間和空間的對稱。

自然界不僅體現(xiàn)出對稱性而且還體現(xiàn)出可逆性和互斥性，反映到大腦中就是異想思維和逆向思維，是人們反向思考的一種思維方式。通常，人們總是習(xí)慣于沿著事物發(fā)展的正方向思考，并積極尋找解決問題的辦法。其實，對于一些特殊的問題，反方向思考或許會更簡單化。法拉第就是利用這些獨特的思維方式研究出了“磁可以產(chǎn)生電”。

法拉第最先利用電和磁的對稱關(guān)系分析問題是，他認(rèn)為電和磁是一對對稱現(xiàn)象，奧斯特效應(yīng)只說明了電和磁對稱關(guān)系的一個方面，安培理論也只解決了奧斯特效應(yīng)沒有解決的一些問題，是對奧斯特效應(yīng)的補充。至于磁與電對稱的另一個方面即磁是否能產(chǎn)生電，他們兩個都沒有作進一步的研究，這也成為法拉第后續(xù)的主攻目標(biāo)。法拉第認(rèn)為，利用對稱思維這種方法分析“磁”是一定能夠生“電”的。為了解決磁究竟能否生電這個問題，法拉第不斷向他的老師戴維求教，同時探討一些疑難問題。因此，也形成了跟戴維一樣的風(fēng)格，即大膽質(zhì)疑勇于創(chuàng)新，敢于向權(quán)威發(fā)出挑戰(zhàn)。他對安培等人在條件不成熟時得出的結(jié)論持不贊同的態(tài)度，他認(rèn)為，越是簡單的東西，越要接受實驗的檢驗，且不受任何理論的限制。法拉第就是這樣從實驗事實出發(fā)，對安培的電動學(xué)提出質(zhì)疑，否定了超距理論，證明了電場和磁場的存在及理論和實驗依據(jù)，應(yīng)用對稱和逆想的思維提出“磁”可生“電”的假設(shè)。

二、興趣和執(zhí)著是法拉第成功的階梯

1821年，法拉第在收集整理電磁學(xué)資料的過程中，對電磁學(xué)的研究產(chǎn)生了濃厚的興趣，繼而轉(zhuǎn)向電磁學(xué)研究。正是對奧斯特實驗不厭其煩地研究，使他終于有了新的發(fā)現(xiàn)。他發(fā)現(xiàn)小磁針有繞導(dǎo)線做圓周轉(zhuǎn)動的傾向，于是設(shè)計了一種自制裝置來實現(xiàn)這種旋轉(zhuǎn)，法拉第稱這種裝置為電磁旋轉(zhuǎn)器。

1824年，著名的阿喇果圓盤實驗問世，銅盤和磁針的聯(lián)動現(xiàn)象大大激發(fā)了法拉第探索電磁學(xué)奧妙的熱情，他又一次投入到了“磁”生“電”的研究中。針對“磁”生“電”的現(xiàn)象，法拉第起初的想法很簡單，認(rèn)為用強磁鐵靠近導(dǎo)線，導(dǎo)線中就會產(chǎn)生電流，或者在3根導(dǎo)線里的一根通上強大的電流，在靠近這個通電的導(dǎo)線中的兩根導(dǎo)線就會有電流產(chǎn)生?；谶@種想法，法拉第做了大量實驗，結(jié)果都因失敗而告終。但是他沒有氣餒，沒有放棄，仍然堅持自己的觀點。他不斷總結(jié)每次的實驗教訓(xùn)，詳細(xì)分析失敗的原因，反復(fù)思考“磁”生“電”的途徑。直到1824年，當(dāng)時電磁學(xué)的發(fā)展取得了前所未有的進步，再加上電磁鐵新技術(shù)的開發(fā)和利用，法拉第又重新回到電磁學(xué)領(lǐng)域，開始了他的第三個實驗階段的研究。

1831年，法拉第通過3個實驗揭示了電磁感應(yīng)現(xiàn)象的本質(zhì)。一是變壓器實驗，揭示了變化的“電”可以產(chǎn)生變化的“磁”，變化的“磁”又可產(chǎn)生“電流”的本質(zhì)；二是螺線管實驗，揭示了導(dǎo)體相對磁體運動可以產(chǎn)生電流；三是改進的阿喇果銅盤實驗，直觀揭示了導(dǎo)體做切割磁感線運動產(chǎn)生電流的現(xiàn)象。法拉第就是通過以上這些實驗，明確提出電磁感應(yīng)現(xiàn)象的產(chǎn)生是有條件的，即：磁場、磁通量發(fā)生變化、電路閉合。

正是由于法拉第對電磁現(xiàn)象的執(zhí)著追求，10年不間斷做著一次又一次實驗，才一步更比一步接近真理并得到真理。這3個階段的實驗研究為以后電磁感應(yīng)定律的誕生打下了堅實的基礎(chǔ)。

三、觀察與思考是法拉第成功的關(guān)鍵

法拉第積極尋找“磁生電”方法，他把聯(lián)有電流計的導(dǎo)體放人磁場中，但電流計的指針不動，說明無電流產(chǎn)生（圖1）。是磁場太弱？導(dǎo)線的電阻太大，電流計不夠靈敏？于是更換更強的磁鐵和靈敏度更高的電流計，并檢查電路的接觸情況，結(jié)果指針都不動，仍無電流產(chǎn)生。反復(fù)多次結(jié)果都一樣，法拉第陷入了猜想與假設(shè)。

圖1 磁生電的方法試驗圖

如果以上“磁”生“電”的假設(shè)成立，那么在什么條件下“磁”才可能產(chǎn)生“電”？法拉第認(rèn)為，“電”能生“磁”只是電磁物質(zhì)運動的一個方面，奧斯特實驗中的電雖然是恒定的、不變的，但恒定、不變的電是由運動的電荷形成的。以上的“磁”生“電”實驗只是把導(dǎo)體放在磁場中，磁并沒有在導(dǎo)體中發(fā)生運動，而相對靜止的磁是不會產(chǎn)生電的。

圖2 導(dǎo)體相對磁體運動可生電

如果讓磁體相對導(dǎo)體運動，或讓磁有強有弱的變化，選定靈敏度高的電流計，那結(jié)果又如何？

于是法拉第改進了實驗裝置，重新設(shè)定了實驗條件，檢查電路的接觸情況，又開始了枯燥乏味的實驗。

實驗現(xiàn)象1（圖2）：當(dāng)導(dǎo)體做切割磁感線運動時，電流計的指針就會發(fā)生偏轉(zhuǎn)，線路中就會有電流產(chǎn)生。

圖3 導(dǎo)體相對磁體靜止不動無電產(chǎn)生

實驗現(xiàn)象2（圖3）：當(dāng)條形磁鐵插入螺線管，或從螺線管拔出時，右邊電流計的小磁針會發(fā)生偏轉(zhuǎn)，而且指針偏轉(zhuǎn)的方向相反。當(dāng)條形磁鐵放入螺線管中（方法如右圖所示）靜止不動時，電流計的小磁針靜止不動，說明無電流產(chǎn)生。

實驗現(xiàn)象3（圖4）：當(dāng)電源開關(guān)閉合、斷開的瞬間，或移動滑動變阻器的滑動觸頭，電流計的指針會發(fā)生偏轉(zhuǎn)，即有電流產(chǎn)生。

圖4 磁通量變化可生電

法拉第仔細(xì)觀察以上實驗并分析如下：閉合回路中之所以會有電流產(chǎn)生，一定是閉合電路中有了電源電動勢，電動勢產(chǎn)生的原因是由于磁通量發(fā)生變化而引起的。磁通量變化越快，指針偏轉(zhuǎn)越大，產(chǎn)生的電流越大，產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢就越大。在此基礎(chǔ)上，法拉第提出了自己的觀點：一是只有當(dāng)閉合回路的磁通量發(fā)生變化，閉合回路中才會有電動勢和電流產(chǎn)生，產(chǎn)生的電流叫感應(yīng)電流，產(chǎn)生電流這種現(xiàn)象叫電磁感應(yīng)現(xiàn)象。二是產(chǎn)生感應(yīng)電動勢的大小與磁通量的變化率成正比，即：E＝nΔφ/Δτ，即電磁感應(yīng)定律。

正是由于一次次的實驗，一遍遍思考，經(jīng)過一系列肯定—否定—再否定—再肯定的過程，電磁感應(yīng)才會走出實驗室應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和日常生活的各個領(lǐng)域，才有了電的時代。

思路決定出路，獨特的思維方式是法拉第成功的起點，興趣和執(zhí)著是其成功的潤滑劑，永無休止的實驗是法拉第成功的關(guān)鍵，而分析和論證則更使他的一切努力發(fā)生質(zhì)的飛躍。分析法拉第的成功奧妙可以知道，觀察和實驗會給我們積累大量資料和豐富的知識，分析論證會使人的思維更加敏捷，思路更加靈活。

［1］郭奕玲，沈慧君.物理學(xué)史［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2006.

［2］課程教材研究所，物理課程教材研究開發(fā)中心.物理［M］.北京：人民教育出版社，2004.

［3］張瑞琨.物理學(xué)研究方法和藝術(shù)［M］.上海：上海人民教育出版社，2002.

Some Key Elements of Faraday’s Finding Law of Electromagnetic Induction

YUAN Hai-chuan
（Jincheng Institute of Technology，Jincheng，Shanxi 048026，China）

Observation and experiment can calculate plenty of materials and rich knowledge.Analysis and demonstration can make people’s thinking more active.It is just because of Faraday’s continuous experiments and thinking that led to the appearance of electric generator.

thinking；interest；persistence；observation；experiment

O44

A

1674-5078（2014）04-0087-03

10.3969/j.issn.1674-5078.2014.04.027

2014-04-20

原海川（1963-），女，山西晉城人，高級講師。主要研究方向為物理教育與應(yīng)用。