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        淺談楞次定律、慣性定律及勒沙特列原理中的“阻礙”

        2016-08-10 10:35:49蔣海炳
        新課程(下) 2016年4期
        關鍵詞:阻礙楞次定律磁通量

        蔣海炳

        (浙江省寧波市象山縣第二中學)

        淺談楞次定律、慣性定律及勒沙特列原理中的“阻礙”

        蔣海炳

        (浙江省寧波市象山縣第二中學)

        人教版中楞次定律是這樣表述的:感應電流具有這樣的方向,即感應電流的磁場總是阻礙引起感應電流的磁通量的變化。電磁感應現(xiàn)象中的磁體具有保持原有狀態(tài),阻礙磁通量變化的性質(zhì),這不禁讓筆者想到了另外的兩條規(guī)律:慣性定律和勒沙特列原理。慣性定律是物理學中一個非?;镜亩?,又稱牛頓第一定律。其具體表述為:一切物體總保持勻速直線運動狀態(tài)或靜止狀態(tài),除非作用在它上面的力迫使它改變這種狀態(tài)??梢?,慣性定律更加直接地表達了物體具有維持原有狀態(tài),阻礙狀態(tài)變化的性質(zhì)。勒沙特列原理:如果改變影響化學平衡的一個條件(濃度,溫度,壓強等),平衡就向減弱這種改變的方向移動。這雖然是化學平衡中的原理,但是它同樣體現(xiàn)出了物體或者物體系統(tǒng)具有保持原有原狀,阻礙狀態(tài)改變這樣的性質(zhì)。那么,它們?nèi)叩摹白璧K”到底有哪些相同點和不同點呢?

        一、相同點

        1.阻礙的對象相同

        楞次定律、慣性定律和勒沙特列原理三者均表達了物體(物體系統(tǒng))具有保持原有狀態(tài)的性質(zhì),都會對引起它們改變的外因起到阻礙的作用。它們阻礙的是“改變”。

        對于慣性,人們都不陌生:如果不受外力,靜止的物體將永遠保持靜止狀態(tài),運動的物體將會做勻速直線運動一直運動下去。說明物體自身具有阻礙運動狀態(tài)改變的本領。

        楞次定律中的“阻礙”,是阻礙引起感應電流的磁通量的變化。例如,穿過線圈原磁場方向向下(如圖1所示),并且磁鐵在向下運動,對于線圈來說,向下的磁通量在變大,這一變化使得線圈中產(chǎn)生了感應電流,而感應電流產(chǎn)生的磁場又反過來給向下運動的磁鐵一個向上的磁場力,阻礙它的繼續(xù)靠近,繼而阻礙線圈筒中磁通量的增加。

        圖1

        勒沙特列原理認為,處于平衡狀態(tài)的化學反應,如果改變了溫度、壓強、濃度等能夠影響反應的其中一個條件時,化學反應會向著減弱這個影響的方向進行。通過平衡的移動,來阻礙整個物體系統(tǒng)的狀態(tài)改變。比如,某個反應是吸熱反應,則升高溫度,反應將向正方向進行,我們可以理解成為,系統(tǒng)要升高溫度,則反應平衡會向著吸收熱量的方向進行,以阻礙系統(tǒng)溫度的升高;同理,如果降低溫度,則反應平衡向反方向移動,我們可以理解為,反應系統(tǒng)溫度要降低,則反應平衡會向著放出熱量的方向進行,以阻礙系統(tǒng)溫度的降低。從這點看,勒沙特列原理也阻礙“變化”,跟慣性定律、楞次定律類似。

        2.阻礙的結(jié)果相同

        三條規(guī)律都講到了會對引起它們改變的外因起到阻礙作用,但是都只是阻礙,結(jié)果卻是阻而不止。

        原本處于平衡狀態(tài)的物體,當受到的合力不為零時,物體的運動狀態(tài)就會發(fā)生變化,不會因為物體有慣性而不發(fā)生改變。

        在電磁感應現(xiàn)象中,(如圖1)磁鐵在向下運動過程中,通過線圈的磁通量變大,由楞次定律可知,磁鐵會受到阻礙磁鐵向下運動的力,但是磁鐵還是會向下運動,向下的磁通量還是繼續(xù)增大。有阻礙的行為,但是阻礙的結(jié)果只是延緩了穿過這一過程,并沒有阻止住變化的發(fā)生。勒沙特列原理中阻礙的結(jié)果怎么樣呢?

        處于反應平衡狀態(tài)下,加入反應物O2之后,反應物濃度增加,平衡必將向正方向進行,以抵抗反應物的增多,但是等反應達到新的平衡之后,反應物與生成物的濃度都變大了。當然,O2濃度比未加入之前肯定要大。所以從結(jié)果看,與其他兩條規(guī)律相似,都采取阻礙的行動,但最終還是逃不脫阻而不止的結(jié)果。

        3.阻礙作用都與物體(物體系統(tǒng))自身性質(zhì)有關系

        在慣性定律中,欲使物體的運動狀態(tài)發(fā)生改變,需要給物體以力的作用,在相同的作用力作用下,質(zhì)量大的物體加速度小,物體的運動狀態(tài)改變來得慢,相反質(zhì)量小的物體得到的加速度反而大,運動狀態(tài)容易改變。比如,外觀相同并以相同速度行駛的空載大客車和滿載大客車,急剎車之后滿載大客車滑行的距離要比空載大客車遠,我們就知道了,滿載大客車的慣性比空載大客車要大。所以質(zhì)量越大的物體慣性越大,運動狀態(tài)越不容易改變,物體的慣性大小僅與物體自身的質(zhì)量有關,而與其他因素無關。

        今年以來凈值跌幅最大的基金為國泰金鑫,跌幅達47.60%,上投摩根核心成長緊隨其后,年初至今亦跌了44.43%,富國城鎮(zhèn)發(fā)展跌幅排在第三位,跌幅達43.87%。

        但是楞次定律中沒有提及阻礙作用與磁體本身性質(zhì)之間存在什么關系。法拉第電磁感應定律,除了n表示線圈匝數(shù)以外,看不到與線圈自身屬性有關的信息。但在自感現(xiàn)象中,自感電動勢E=,可以看出自感電動勢的大小是跟自感系數(shù)L成正比的,而自感系數(shù)L則是由自感線圈本身的特性決定的,如線圈大小、線圈形狀、圈數(shù)等。自感系數(shù)L越大,自感線圈對電流改變的阻礙作用也就越強大,這種阻礙作用來源于物體自身,與慣性定律有一定的相似性。

        在可逆反應中,反應進行的程度與該化學反應本身有關,對于可逆反應來說,在一定溫度下,無論反應物的起始濃度如何,反應達到平衡狀態(tài)后,各生成物的物質(zhì)的量濃度乘積和反應物的物質(zhì)的量濃度乘積的比值是個常數(shù),此常數(shù)稱為該反應的化學平衡常數(shù)。常數(shù)的值越大,說明反應進行得越完全。從這個方面看,勒沙特列原理的阻礙也是會受到化學反應本身約束的,不同的化學反應之間也不一樣,可以說,勒沙特列原理的“阻礙”是與化學反應本身有關的。這一點也與慣性定律及楞次定律相似。

        二、不同點

        1.三條規(guī)律表述的側(cè)重點不同

        慣性定律強調(diào)的是物體具有保持原有運動狀態(tài)的性質(zhì),強調(diào)的是運動狀態(tài)尚未改變之前。而楞次定律則是強調(diào)如果改變了會怎么樣,所以說是強調(diào)改變了之后會產(chǎn)生什么樣的后果,改變的后果會反過來阻礙此改變的繼續(xù)發(fā)生。勒沙特列原理所討論的也是當反應條件發(fā)生了改變之后,整個體系化學反應平衡會怎么移動,這個移動的直接結(jié)果是阻礙了引起平衡移動的反應條件的改變。所以,楞次定律和勒沙特列原理所強調(diào)的都是當狀態(tài)改變之后的后續(xù)變化。

        2.三者都有阻礙作用,但產(chǎn)生阻礙的條件卻是不一樣的

        慣性是物體的固有屬性,任何物體都有,物體在任何情況下都有,不會因為物體有沒有受到外力而改變,也與物體的運動狀態(tài)無關。所以物體的這種阻礙運動狀態(tài)改變的行為是無條件的。

        同樣,處于化學平衡狀態(tài)的物體系統(tǒng),如果不去改變反應條件,化學平衡也不會移動。只有當外界對處于平衡狀態(tài)的系統(tǒng)進行破壞,改變反應的條件了,平衡才會移動,直到達到新平衡。從這點看,與楞次定律相似。

        3.楞次定律與勒沙特列原理都是對引起變化的原因進行阻礙,但是所采取阻礙的方式不一樣

        圖2

        楞次定律的阻礙,是通過額外產(chǎn)生出感應電流,再通過產(chǎn)生出的感應電流的磁場來反作用于原磁場,進而起到阻礙原磁場變化的作用。如果原來通過線圈的磁通量是向下的(如圖2),并且向下的磁通量在變大,為了阻礙其繼續(xù)變大,額外產(chǎn)生一個感應電流,感應電流的磁場方向與原磁場方向相反,反過來阻礙原磁通的變大。如果原來通過線圈的磁通量是向下的,并且向下的磁通量在減小,為了阻礙其繼續(xù)減小,線圈中同樣會產(chǎn)生出感應電流,而感應電流的磁場會和原來通過線圈的磁場同向,起到阻礙原磁通減少的作用。

        勒沙特列原理同樣是阻礙變化,但是它采取的是通過平衡的移動,例如,在一個處于平衡態(tài)的反應中增加反應物的濃度,平衡會向阻礙這種變化的方向發(fā)展,即向正方向進行,反過來提取出一部分反應物,使反應物的濃度降低了,反應同樣會向阻礙這一變化的方向進行,即平衡會向逆反應方向進行。改變生成物濃度,或者改變溫度、壓強,平衡同樣會向著削弱這種改變的方向移動,或者說平衡同樣會向著阻礙這種改變的方向移動。

        他山之石,可以攻玉。自然科學中的許多原理、定律都是相通的,物理學里邊的規(guī)律有時可以用來解釋化學、生物或其他學科中的現(xiàn)象,化學里的規(guī)律同樣可以啟發(fā)我們分析解決物理學問題。如果能夠?qū)ο嗨频囊?guī)律進行比較教學,學生對這些規(guī)律、定理的理解必然會更加深刻,或許能夠得到意想不到的效果。

        [1]黃文利,李霆.品楞次定律“阻礙”之味[J].中學物理教學參考,2003(10).

        [2]韓秀梅.以“阻礙”帶動楞次定律教學[J].山西財經(jīng)大學學報,2002.

        [3]馬俊杰.由慣性定律與楞次定律想到的[J].物理教學探討,2006(9).

        [4]牛德云.談談如何深刻理解楞次定律的實質(zhì)[J].太原教育學院學報,2004(12).

        ·編輯薄躍華

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