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        楞次定律應(yīng)用中的幾個(gè)常見(jiàn)問(wèn)題

        2015-08-18 10:57:17黃鵬
        物理教學(xué)探討 2015年6期
        關(guān)鍵詞:楞次定律感應(yīng)電流

        黃鵬

        摘 要:本文對(duì)楞次定律中的幾個(gè)常見(jiàn)問(wèn)題進(jìn)行了討論,突出了抓住定律本質(zhì)解決問(wèn)題的重要性。

        關(guān)鍵詞:楞次定律;感應(yīng)電流;來(lái)拒去留;增縮減擴(kuò)

        中圖分類(lèi)號(hào):G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1003-6148(2015)6-0040-3

        1834年,德國(guó)物理學(xué)家楞次提出了一種判斷感應(yīng)電流方向的方法,后人稱(chēng)為楞次定律。人教版高中物理選修3-2第四章第三節(jié)將其表述為:感應(yīng)電流具有這樣的方向,即感應(yīng)電流的磁場(chǎng)總要阻礙引起感應(yīng)電流的磁通量的變化。楞次定律在全國(guó)的高考考綱中均屬二級(jí)要求,在高考題中出現(xiàn)頻率極高,因此,在教學(xué)中備受關(guān)注。但學(xué)生在應(yīng)用楞次定律解決問(wèn)題時(shí),往往因知識(shí)結(jié)構(gòu)、思維定式等原因,屢犯錯(cuò)誤。這都是學(xué)生的低級(jí)錯(cuò)誤嗎?筆者借對(duì)學(xué)生輔導(dǎo)書(shū)和日常教學(xué)中出現(xiàn)的幾個(gè)常見(jiàn)問(wèn)題的分析,與大家磋商,希望對(duì)大家有所啟發(fā)和幫助。

        1 “來(lái)拒去留”的問(wèn)題

        “來(lái)拒去留”指的是當(dāng)導(dǎo)體(閉合回路)在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí),兩者之間的相互作用情況,其現(xiàn)象表現(xiàn)為:當(dāng)導(dǎo)體靠近磁場(chǎng)時(shí),體現(xiàn)為斥力作用(來(lái)拒);當(dāng)導(dǎo)體遠(yuǎn)離磁場(chǎng)時(shí),體現(xiàn)為引力作用(去留)。其本質(zhì)是:發(fā)生電磁感應(yīng)時(shí),產(chǎn)生感應(yīng)電流的導(dǎo)體在磁場(chǎng)中受到安培力的作用。

        例1 (2011 上海單科)如圖1所示,磁場(chǎng)垂直于紙面,磁感應(yīng)強(qiáng)度在豎直方向均勻分布,水平方向非均勻分布。一銅制圓環(huán)用絲線懸掛于O點(diǎn),將圓環(huán)拉至位置a后無(wú)初速釋放,在圓環(huán)從a擺向b的過(guò)程中( )

        A.感應(yīng)電流方向先逆時(shí)針后順時(shí)針再逆時(shí)針

        B.感應(yīng)電流方向一直是逆時(shí)針

        C.安培力方向始終與速度方向相反

        D.安培力方向始終沿水平方向

        解析 圓環(huán)由位置a運(yùn)動(dòng)到磁場(chǎng)邊界線前,磁通量向里增大,感應(yīng)電流為逆時(shí)針;跨越分界線過(guò)程中,磁通量由向里最大變?yōu)橄蛲庾畲?,感?yīng)電流為順時(shí)針;在擺到b的過(guò)程中,磁通量向外減小,感應(yīng)電流為逆時(shí)針,所以A正確。由于圓環(huán)所在處的磁場(chǎng)上下對(duì)稱(chēng),圓環(huán)中的電流也對(duì)稱(chēng),所以安培力豎直方向平衡,因此總的安培力沿水平方向,故D正確。

        討論 本題有不少同學(xué)由“來(lái)拒去留”,根據(jù)阻礙相對(duì)運(yùn)動(dòng)選擇了C。注意這里圓環(huán)的運(yùn)動(dòng)并不完全是引起磁通量變化的原因,由磁場(chǎng)的分布特點(diǎn),可以將實(shí)際運(yùn)動(dòng)分解為水平方向和豎直方向的兩個(gè)分運(yùn)動(dòng),豎直方向的分運(yùn)動(dòng)不引起磁通量的變化,水平方向的分運(yùn)動(dòng)才是引起磁通量變化的原因,所以阻礙作用應(yīng)該表現(xiàn)為對(duì)水平方向的分運(yùn)動(dòng)的阻礙,即安培力沿水平方向。

        點(diǎn)評(píng) 可見(jiàn)使用“來(lái)拒去留”要謹(jǐn)慎,講這個(gè)結(jié)論時(shí),不能只談阻礙相對(duì)運(yùn)動(dòng),一定要強(qiáng)調(diào)阻礙的是引起磁通量變化的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。

        2 “增縮減擴(kuò)”的問(wèn)題

        “增縮減擴(kuò)”指的是當(dāng)穿過(guò)線圈的磁通量發(fā)生變化時(shí),線圈通過(guò)面積的增縮以達(dá)到阻礙磁通量變化的效果,其體現(xiàn)為:當(dāng)穿過(guò)線圈的磁通量增大時(shí),線圈面積縮小;當(dāng)穿過(guò)線圈的磁通量縮小時(shí),線圈面積增大。其本質(zhì)為:發(fā)生電磁感應(yīng)時(shí),產(chǎn)生感應(yīng)電流的線圈在磁場(chǎng)中受到安培力的作用。此時(shí),產(chǎn)生感應(yīng)電流的線圈處在怎樣的磁場(chǎng)中,怎樣的形變引起了磁通量變化是關(guān)鍵。

        例2 (2011 上海單科)如圖2所示,均勻帶正電的絕緣圓環(huán)a與金屬圓環(huán)b同心共面放置,當(dāng)a繞O點(diǎn)在其所在平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)時(shí),b中產(chǎn)生順時(shí)針?lè)较虻母袘?yīng)電流,且具有收縮趨勢(shì),由此可知,圓環(huán)a( )

        A.順時(shí)針加速旋轉(zhuǎn) B.順時(shí)針減速旋轉(zhuǎn)

        C.逆時(shí)針加速旋轉(zhuǎn) D.逆時(shí)針減速旋轉(zhuǎn)

        解析 由楞次定律知,欲使b環(huán)中產(chǎn)生順時(shí)針?lè)较螂娏?,則a環(huán)內(nèi)磁場(chǎng)應(yīng)向里減弱或向外增強(qiáng),a環(huán)的旋轉(zhuǎn)情況應(yīng)該是順時(shí)針減速或逆時(shí)針加速,由于b環(huán)具有收縮的趨勢(shì),即b環(huán)各部分受到向內(nèi)的安培力,則a環(huán)外部磁場(chǎng)向外,內(nèi)部磁場(chǎng)向里,故選B。

        討論 若按照“增縮減擴(kuò)”的規(guī)律,因b環(huán)具有收縮的趨勢(shì),則b環(huán)有磁通量減小的趨勢(shì)。其實(shí)b環(huán)的磁通量在增大,則a環(huán)逆時(shí)針加速旋轉(zhuǎn),就會(huì)錯(cuò)選C。因?yàn)榇┻^(guò)b環(huán)的磁感線有a環(huán)內(nèi)部和a、b環(huán)之間的兩種,當(dāng)b環(huán)具有收縮的趨勢(shì)時(shí),a環(huán)內(nèi)部磁感線條數(shù)不變,a、b環(huán)之間的磁感線條數(shù)減少,則b環(huán)的凈磁通量有增大的趨勢(shì),其實(shí)b環(huán)凈磁通量在減小,所以a環(huán)順時(shí)針減速旋轉(zhuǎn)。

        點(diǎn)評(píng) 可見(jiàn)除了“增縮減擴(kuò)”以外還有“增擴(kuò)減縮”的特殊情況,所以最好淡化這個(gè)結(jié)論,應(yīng)該強(qiáng)調(diào)阻礙的是引起磁通量變化的回路的形變。

        3 感應(yīng)電流的受力問(wèn)題

        在電磁感應(yīng)現(xiàn)象中,往往需要分析導(dǎo)體的受力情況,從而分析運(yùn)動(dòng)情況。當(dāng)中能力較強(qiáng)的學(xué)生會(huì)發(fā)現(xiàn),感應(yīng)電流除了受到原磁場(chǎng)的作用力外,還要受到感應(yīng)電流之間的相互作用力,同時(shí)他們會(huì)聯(lián)想到“同向電流互相吸引,反向電流互相排斥”這個(gè)結(jié)論,但是他們一般都抓不住關(guān)鍵因素而陷入困境當(dāng)中。

        例3 如圖3所示,光滑導(dǎo)軌MN水平放置,兩根導(dǎo)體棒平行放于導(dǎo)軌上,形成一個(gè)閉合回路,當(dāng)一條形磁鐵從上方下落(未達(dá)導(dǎo)軌平面)的過(guò)程中,導(dǎo)體P、Q的運(yùn)動(dòng)情況是( )

        A.P、Q均靜止

        B.P、Q互相遠(yuǎn)離

        C.P、Q互相靠攏

        D.因磁鐵下落的極性未知,無(wú)法判斷

        解析 條形磁鐵從高處下落接近閉合回路時(shí),由楞次定律得,棒以縮小面積阻礙磁通量的增大,故選C。

        討論 若考慮棒P、Q中感應(yīng)電流的相互作用,因感應(yīng)電流方向必然相反,由反向電流相互排斥得,棒P、Q應(yīng)當(dāng)互相遠(yuǎn)離,到底P、Q縮小面積的作用強(qiáng)還是感應(yīng)電流的相互作用強(qiáng)呢?這兩種作用力分別來(lái)自原磁場(chǎng)和感應(yīng)電流的磁場(chǎng)。因?yàn)楦袘?yīng)電流的磁場(chǎng)總要阻礙引起感應(yīng)電流的磁通量的變化,注意“阻礙”的意思是“減緩”并不是“阻止”,當(dāng)原磁通量增大時(shí),感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)和原磁場(chǎng)的方向相反,但它只是使原磁通量增加慢一些,感應(yīng)電流的磁場(chǎng)比原磁場(chǎng)弱得多,合磁場(chǎng)方向仍是原磁場(chǎng)方向,如圖4所示,合磁場(chǎng)對(duì)它們的作用力使它們相互靠攏。如果原磁通量減小,感應(yīng)電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向和原磁場(chǎng)的方向相同,合磁場(chǎng)就更是原磁磁場(chǎng)的方向了。

        點(diǎn)評(píng) 一般而言,感應(yīng)電流的磁場(chǎng)都可以忽略,我們只要考慮原磁場(chǎng)對(duì)感應(yīng)電流的作用就行了。

        4 結(jié)束語(yǔ)

        “來(lái)拒去留”和“增縮減擴(kuò)”都不是楞次定律的本質(zhì),它們是資料書(shū)的編者通過(guò)一些題目總結(jié)出來(lái)的規(guī)律。它們不具有普遍性,我們還是應(yīng)該抓住定律的本質(zhì):感應(yīng)電流的效果總是反抗引起感應(yīng)電流的原因。這里所說(shuō)的“效果”既可以理解為感應(yīng)電流所激發(fā)的磁場(chǎng),也可以理解為因感應(yīng)電流出現(xiàn)而引起的機(jī)械作用;這里所說(shuō)的“原因”,既可以指磁通量變化,也可指引起磁通量變化的相對(duì)運(yùn)動(dòng)或回路形變。

        物理現(xiàn)象是迷人的,我們總是希望用簡(jiǎn)潔的語(yǔ)言概括更多現(xiàn)象,同一個(gè)規(guī)律有不同的表現(xiàn)形式,我們要深入了解其本質(zhì),運(yùn)用起來(lái)方能得心應(yīng)手,不至于被物理現(xiàn)象所迷惑!

        參考文獻(xiàn):

        [1]趙凱華,陳熙謀.電磁學(xué)[M].北京:高等教育出版社,2006.

        [2]張大昌.物理(選修3-2)[M].北京:人民教育出版社,2010.

        [3]倪自強(qiáng),葉曉.例析電磁學(xué)習(xí)題中常見(jiàn)的幾個(gè)錯(cuò)誤[J].物理教學(xué),2014,(10):52.

        (欄目編輯 羅琬華)

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