莊業(yè)友

(江蘇省泗陽(yáng)致遠(yuǎn)中學(xué)，江蘇　泗陽(yáng)　223700)

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法拉第電磁感應(yīng)現(xiàn)象與阿拉果圓盤實(shí)驗(yàn)探討

莊業(yè)友

(江蘇省泗陽(yáng)致遠(yuǎn)中學(xué)，江蘇泗陽(yáng)223700)

摘要：本文介紹阿拉果生平及“圓盤實(shí)驗(yàn)”，探討法拉第對(duì)阿拉果圓盤實(shí)驗(yàn)的解釋及這項(xiàng)研究對(duì)于促進(jìn)電磁感應(yīng)定律建立的意義.

關(guān)鍵詞：阿拉果;圓盤實(shí)驗(yàn);法拉第;電磁感應(yīng)現(xiàn)象

1問(wèn)題的提出

圖1

2015年高考(新課標(biāo)卷Ⅰ)第19題考查了阿拉果“圓盤實(shí)驗(yàn)”,原題如下:1824年法國(guó)科學(xué)家阿拉果完成了著名的“圓盤實(shí)驗(yàn)”.實(shí)驗(yàn)中將一銅圓盤水平放置,在其中心正上方用柔軟細(xì)線懸掛一枚可以自由旋轉(zhuǎn)的磁針(如圖1)，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：當(dāng)圓盤在磁針的磁場(chǎng)中繞過(guò)圓盤中心的豎直軸旋轉(zhuǎn)時(shí),磁針也隨著一起轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái),但略有滯后.下列說(shuō)法正確的是().

A． 圓盤上產(chǎn)生了感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)

B． 圓盤內(nèi)的渦電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)導(dǎo)致磁針轉(zhuǎn)動(dòng)

C． 在圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程中,磁針的磁場(chǎng)穿過(guò)整個(gè)圓盤的磁通量發(fā)生了變化

D． 圓盤中的自由電子隨圓盤一起運(yùn)動(dòng)形成電流,此電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)導(dǎo)致磁針轉(zhuǎn)動(dòng)

解析:在圓盤運(yùn)動(dòng)過(guò)程中,沿半徑方向的金屬條在切割磁感線,在圓心和邊緣之間產(chǎn)生了感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),選項(xiàng)A對(duì);圓盤在徑向的輻條切割磁感線過(guò)程中,內(nèi)部距離圓心遠(yuǎn)近不同的點(diǎn)電勢(shì)不等，而產(chǎn)生渦電流,選項(xiàng)B對(duì);圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中,圓盤位置、面積和磁場(chǎng)都沒(méi)有發(fā)生變化,所以沒(méi)有磁通量的變化,選項(xiàng)C錯(cuò);圓盤本身呈現(xiàn)電中性,不會(huì)產(chǎn)生環(huán)形電流,選項(xiàng)D錯(cuò).本題主要是考查法拉第電磁感應(yīng)現(xiàn)象,而題中提到的阿拉果“圓盤實(shí)驗(yàn)”與法拉第電磁感應(yīng)現(xiàn)象有著什么樣的聯(lián)系？我們還是要從認(rèn)識(shí)阿拉果及其“圓盤實(shí)驗(yàn)”開(kāi)始.

2阿拉果的生平及圓盤實(shí)驗(yàn)

阿拉果是法國(guó)天文學(xué)家、物理學(xué)家，1786年2月26日出生在法國(guó)東部比利牛斯省的埃斯特?zé)崂?他在15歲時(shí)就只身去巴黎，兩年半內(nèi)他掌握了考試所需的一切知識(shí),還學(xué)習(xí)了歐拉的無(wú)限小量分析、拉格朗日的解析函數(shù)理論和分析力學(xué)、拉普拉斯的天體力學(xué),這使主考人蒙日大吃一驚,蒙日給了他最高的評(píng)語(yǔ).阿拉果在1803年底入大學(xué),1804年經(jīng)泊松推薦,擔(dān)任了巴黎天文臺(tái)的秘書,并于1806年跟隨物理學(xué)家畢奧到西班牙進(jìn)行大地考察.

阿拉果做圓盤實(shí)驗(yàn)的思想來(lái)自于一次偶然的發(fā)現(xiàn)，1822年阿拉果和德國(guó)物理學(xué)家馮·洪堡在英國(guó)格林威治的一座小山上測(cè)量地磁強(qiáng)度時(shí)發(fā)現(xiàn),放在銅底座上的擺動(dòng)磁針與孤立放置的磁針相比,其振動(dòng)振幅衰減較快.他考慮是否存在逆效應(yīng),即旋轉(zhuǎn)的銅盤能帶動(dòng)附近的磁針轉(zhuǎn)動(dòng),實(shí)驗(yàn)證明有此效應(yīng),這個(gè)發(fā)現(xiàn)也就是物理學(xué)史上著名的“阿拉果銅盤實(shí)驗(yàn)”.阿拉果也由于發(fā)現(xiàn)這一現(xiàn)象,獲得了1825年英國(guó)皇家學(xué)會(huì)的科普利獎(jiǎng).這個(gè)實(shí)驗(yàn)在當(dāng)時(shí)引起了許多物理學(xué)家極大的興趣,如物理學(xué)家安培、畢奧及數(shù)學(xué)家巴貝奇等都試圖對(duì)其作出理論解釋,但都由于認(rèn)知上的錯(cuò)誤而導(dǎo)致最終的失敗.

3法拉第電磁感應(yīng)現(xiàn)象

法拉第于1831年發(fā)現(xiàn)的電磁感應(yīng)現(xiàn)象無(wú)疑是科學(xué)史上最重要的發(fā)現(xiàn)之一,它揭開(kāi)了電力時(shí)代的序幕,對(duì)人類社會(huì)的發(fā)展和文明的進(jìn)步產(chǎn)生了極為重要的影響.而實(shí)際上,他的這一發(fā)現(xiàn),與其對(duì)阿拉果圓盤實(shí)驗(yàn)的研究有著緊密聯(lián)系.

法拉第對(duì)阿拉果圓盤實(shí)驗(yàn)的關(guān)注和研究從1825年12月就開(kāi)始了.其后,隨著電磁感應(yīng)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn),他進(jìn)一步對(duì)圓盤實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行了研究和思考:怎樣制造一個(gè)裝置,使其通過(guò)持續(xù)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生穩(wěn)定的電流？受阿拉果圓盤實(shí)驗(yàn)的啟發(fā),法拉第就將巴羅輪反過(guò)來(lái)運(yùn)行，巴羅輪由英國(guó)物理學(xué)家巴羅制成，主要構(gòu)件是架在水平軸上的一個(gè)鉛直的活動(dòng)銅盤,下方侵入一個(gè)水銀槽里,上方夾在一塊馬蹄形磁鐵之間,當(dāng)通過(guò)軸心和水銀槽供給電流的時(shí)候,銅盤就轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái).法拉第將架在水平軸上的鉛直活動(dòng)銅盤一側(cè)夾在馬蹄形磁鐵中間,轉(zhuǎn)動(dòng)銅盤時(shí),發(fā)現(xiàn)在由盤心到邊緣的半徑方向上產(chǎn)生電流,只要圓盤不停地勻速旋轉(zhuǎn),產(chǎn)生的電流就穩(wěn)定不變.這實(shí)際上就是發(fā)電機(jī)的雛型.由此,他發(fā)明了最原始的直流發(fā)電機(jī),并借助電磁感應(yīng)原理完美地解釋了阿拉果圓盤實(shí)驗(yàn)的內(nèi)在機(jī)理,說(shuō)明所觀察到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象完全是磁體和銅盤相對(duì)運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的感應(yīng)電流作用所致.

實(shí)際上,現(xiàn)代生產(chǎn)和生活中廣泛應(yīng)用的各種電磁驅(qū)動(dòng)裝置,其原理本質(zhì)上也都是阿拉果圓盤實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用.但是,長(zhǎng)期以來(lái),在幾乎所有涉及這一研究的論著中,對(duì)法拉第研究和解釋阿拉果圓盤實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的詳細(xì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程以及這項(xiàng)研究對(duì)于促進(jìn)電磁感應(yīng)定律建立的意義都未作充分的論述,對(duì)于二者之間的緊密聯(lián)系也未給予充分的說(shuō)明及論述,很多的中學(xué)教材及教輔資料中更是只字未提,致使人們對(duì)此研究的實(shí)際過(guò)程及其產(chǎn)生的重要影響還存在一定的模糊認(rèn)識(shí).所以我們有必要重新了解歷史.其實(shí),法拉第在發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象的第二天,就考慮用電磁感應(yīng)現(xiàn)象來(lái)解釋阿拉果實(shí)驗(yàn),他在日記中寫道:“在阿拉果實(shí)驗(yàn)中,靜止及運(yùn)動(dòng)的金屬表現(xiàn)出力量上的差異,出現(xiàn)這種差異的原因是否可以和這些瞬時(shí)效應(yīng)(感應(yīng)電流的瞬時(shí)效應(yīng))聯(lián)系起來(lái)？”他在著名的《電學(xué)實(shí)驗(yàn)研究》一書的第2節(jié)中,稱贊它為“非凡的實(shí)驗(yàn)”.在第4節(jié)中表示他的電磁感應(yīng)實(shí)驗(yàn)是“完滿解釋阿拉果現(xiàn)象的鑰匙”,并把長(zhǎng)達(dá)69節(jié)的第4章命名為“阿拉果磁現(xiàn)象的解釋”.可見(jiàn)這一實(shí)驗(yàn)影響之深遠(yuǎn),也可以看出法拉第電磁感應(yīng)現(xiàn)象與阿拉果圓盤實(shí)驗(yàn)的緊密聯(lián)系.

參考文獻(xiàn)：

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[2] 王洛印.法拉第對(duì)阿拉果銅盤實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的研究和解釋[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(社會(huì)科學(xué)版),2010,(7).