黃紹書(shū)

(六盤(pán)水市第23中學(xué)　貴州 六盤(pán)水　553001)

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阿拉果銅盤(pán)實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)研究與分析
——由2015年一道高考試題引起的思考

黃紹書(shū)

(六盤(pán)水市第23中學(xué)貴州 六盤(pán)水553001)

用實(shí)驗(yàn)方法研究阿拉果銅盤(pán)實(shí)驗(yàn)的電流方向和磁針轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)理；對(duì)2015年普通高等學(xué)校招生全國(guó)統(tǒng)一考試(普通高中新課程標(biāo)準(zhǔn)Ⅰ卷)理科綜合能力測(cè)試第19題作出正確的定論并給予合理解釋?zhuān)?/p>

阿拉果銅盤(pán)實(shí)驗(yàn)高考理科綜合能力測(cè)試實(shí)驗(yàn)研究分析思考

1　引言

1822年，法國(guó)科學(xué)家阿拉果(D.F.G.Arago,1786～1853年)和德國(guó)物理學(xué)家馮·洪堡(A.von Humboldt,1769～1859年)在英國(guó)格林威治(Greenwich)的一座小山上測(cè)量地磁強(qiáng)度時(shí)偶然發(fā)現(xiàn)，放在銅底座上的小磁針的擺動(dòng)，比孤立放置的磁針擺動(dòng)的幅度衰減要快，而擺動(dòng)的周期卻沒(méi)有明顯的改變．阿拉果據(jù)此推測(cè)，既然靜止的銅片能夠影響運(yùn)動(dòng)的磁針，那么，運(yùn)動(dòng)的銅片可能會(huì)對(duì)靜止的磁針也產(chǎn)生作用．1824年，阿拉果根據(jù)這一現(xiàn)象又做了一個(gè)實(shí)驗(yàn)，將一個(gè)銅圓盤(pán)裝在一根垂直軸上，使其可以水平轉(zhuǎn)動(dòng)，在銅盤(pán)正上方懸吊一根磁針，所用細(xì)線(xiàn)質(zhì)地柔軟，即使磁針旋轉(zhuǎn)許多圈，懸線(xiàn)都不會(huì)產(chǎn)生明顯的扭力來(lái)阻止磁針的旋轉(zhuǎn)．阿拉果通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)銅盤(pán)旋轉(zhuǎn)時(shí)，磁針即跟著一起轉(zhuǎn)動(dòng)，但是時(shí)間上稍滯后一些；反之，當(dāng)磁針旋轉(zhuǎn)時(shí)，銅盤(pán)也跟著旋轉(zhuǎn)，同樣時(shí)間上稍有滯后．這個(gè)現(xiàn)象就是物理學(xué)史上著名的“阿拉果銅盤(pán)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象”．阿拉果由于發(fā)現(xiàn)這一現(xiàn)象，獲得1825年英國(guó)皇家學(xué)會(huì)的科普勒獎(jiǎng)?wù)?Copley Medal)[1]．

A.圓盤(pán)上產(chǎn)生了感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)

B.圓盤(pán)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(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程中，磁針的磁場(chǎng)穿過(guò)整個(gè)圓盤(pán)的磁通量發(fā)生了變化

D.圓盤(pán)中的自由電子隨圓盤(pán)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)

圖1

全國(guó)高考命題專(zhuān)家組對(duì)該試題給出的參考答案是“A”和“B”兩個(gè)選項(xiàng)[2]，用全國(guó)Ⅰ卷進(jìn)行高考選拔的各省份的高考評(píng)卷組也是根據(jù)這一參考標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)判的．為此，全國(guó)各地教師們對(duì)此題的正確選項(xiàng)產(chǎn)生了質(zhì)疑．同時(shí)，在網(wǎng)上引起了對(duì)“阿拉果銅盤(pán)實(shí)驗(yàn)是否產(chǎn)生渦電流和怎樣產(chǎn)生渦電流”、“磁針隨圓盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)的根本原因是什么”等問(wèn)題的一些討論，但沒(méi)有得出明確的結(jié)論．

為了弄清楚阿拉果銅盤(pán)實(shí)驗(yàn)中磁針轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)理，我們對(duì)距今近200年的阿拉果銅盤(pán)實(shí)驗(yàn)作了一些改進(jìn)與探索，以期能對(duì)2015年普通高等學(xué)校招生全國(guó)統(tǒng)一考試(普通高中新課程標(biāo)準(zhǔn)Ⅰ卷)理科綜合能力測(cè)試第19題作出正確的定論并給予合理的解釋?zhuān)?/p>

2　實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

2.1實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與制作

對(duì)于需要用汽車(chē)運(yùn)輸?shù)牡V巖，其運(yùn)輸車(chē)輛，根據(jù)本區(qū)礦巖性質(zhì)特點(diǎn)、礦山采剝規(guī)模、當(dāng)?shù)貧夂驐l件，通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)礦用汽車(chē)生產(chǎn)狀況、設(shè)備性能及在礦山使用效果的認(rèn)真調(diào)查研究后，結(jié)合本礦區(qū)重載上坡運(yùn)行的特點(diǎn)，推薦45 t礦用自卸汽車(chē)運(yùn)輸?shù)V石，108 t礦用自卸汽車(chē)運(yùn)輸巖石。設(shè)備大型化后，作業(yè)人員少，既節(jié)能，運(yùn)輸成本也低，汽車(chē)等待時(shí)間短，單向行車(chē)密度較小，能提高運(yùn)行速度，充分發(fā)揮運(yùn)輸設(shè)備的效率，減少安全隱患。

(1)將平整的薄紙板剪制直徑約為10 cm的圓盤(pán)2個(gè)；

(2)用橫截面直徑約0.5 mm細(xì)銅絲制作直徑分別約為1 cm，2 cm，3 cm，4 cm，5 cm，6 cm，7 cm，8 cm，9 cm，10 cm的銅環(huán)各2個(gè)；

(3)用520膠水將銅環(huán)分別粘在2個(gè)紙質(zhì)圓盤(pán)上，并用長(zhǎng)度約10 cm、橫截面直徑約0.5 mm細(xì)銅絲在其中1個(gè)圓盤(pán)上過(guò)圓心粘6～10根輻條，制成如圖2(a)、(b)所示的2個(gè)銅絲圓盤(pán)；

圖2

(4)用軟木或泡模制作2個(gè)直徑約3.3 cm，高約15 cm的圓柱體，將圓柱體嵌入內(nèi)圈直徑約3 cm的滾珠軸承的內(nèi)圈，做成2個(gè)可以自由轉(zhuǎn)動(dòng)且上端平整的轉(zhuǎn)軸，如圖3所示；

圖3

(5)用520膠水將2個(gè)銅絲圓盤(pán)粘在轉(zhuǎn)軸上端，制成2個(gè)可隨豎直轉(zhuǎn)軸自由轉(zhuǎn)動(dòng)的水平銅絲圓盤(pán)，如圖4(a)、(b)所示．

圖4

2.2實(shí)驗(yàn)操作及現(xiàn)象

(1)在可隨豎直轉(zhuǎn)軸自由轉(zhuǎn)動(dòng)的水平銅絲圓盤(pán)[圖4(a)]正上方用柔軟細(xì)線(xiàn)懸掛1枚長(zhǎng)約8 cm左右處于水平狀態(tài)的磁性較強(qiáng)的“J11005”型磁針(或普通條形磁鐵)，如圖5所示．使磁針距圓盤(pán)1 cm左右．

圖5

(2)用筷子等細(xì)桿撥動(dòng)軸承轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)磁針隨圓盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)的現(xiàn)象．

(3)讓圓盤(pán)固定，而使磁針在圓盤(pán)上方沿水平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，用“J0422”型投影檢流計(jì)(測(cè)量范圍“-0.1

mA～0～+0.1 mA”或“-1 mA～0～+1 mA”)檢測(cè)，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)任意一個(gè)銅絲圓環(huán)中有電流．

檢測(cè)時(shí)，直接將檢流計(jì)并聯(lián)在圓盤(pán)的待測(cè)兩點(diǎn)或切斷銅絲圓環(huán)將檢流計(jì)串聯(lián)在待測(cè)兩點(diǎn)． 為了避免或減小圓盤(pán)上待測(cè)兩點(diǎn)間與檢流計(jì)構(gòu)成的回路磁通量變化帶來(lái)的影響，用兩根長(zhǎng)約80 cm的φ0.5 mm銅芯漆包線(xiàn)分別與銅絲圓盤(pán)的待測(cè)兩點(diǎn)穩(wěn)固連接后纏絞成繩索型再分別連接檢流計(jì)的正負(fù)接線(xiàn)柱，如圖6(a)、(b)所示．

圖6

(4)在可隨豎直轉(zhuǎn)軸自由轉(zhuǎn)動(dòng)的水平銅絲圓盤(pán)[圖4(b)]正上方用柔軟細(xì)線(xiàn)懸掛1枚長(zhǎng)約8cm左右處于水平狀態(tài)的磁性較強(qiáng)的磁針，如圖7所示．使磁針距圓盤(pán)1 cm左右．

圖7

(5)用筷子等細(xì)桿撥動(dòng)軸承轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)，發(fā)現(xiàn)磁針隨圓盤(pán)有明顯的轉(zhuǎn)動(dòng)現(xiàn)象．

(6)讓圓盤(pán)固定，而使磁針在圓盤(pán)上方沿水平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，用“J0422”型投影檢流計(jì)檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)任意一個(gè)銅絲圓環(huán)中都有一定的變化電流，但不同位置的差異較大，且外側(cè)圓環(huán)的電流相對(duì)內(nèi)側(cè)園環(huán)的電流要大一些．而每根輻條中都有很明顯的電流，電流隨磁針位置的不同有較大的變化．

檢測(cè)方法與前述相似，直接將檢流計(jì)并聯(lián)在圓盤(pán)的待測(cè)兩點(diǎn)，如圖8(a)、(b)所示．

圖8

3　理論分析

兩種圓盤(pán)和磁針轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，某時(shí)刻的俯視圖分別如圖9(a)、(b)所示，穿過(guò)圓盤(pán)的磁場(chǎng)關(guān)于磁針以及與磁針垂直的一條圓盤(pán)直徑成對(duì)稱(chēng)分布．顯然，沒(méi)有輻條的圓盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中銅絲圓環(huán)不能切割磁感線(xiàn)，因而沒(méi)有電磁感應(yīng)現(xiàn)象不能產(chǎn)生感應(yīng)電流．

圖9

具有輻條的圓盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，每一根輻條都切割磁感線(xiàn)，即每一根輻條都相當(dāng)于多個(gè)首尾相連的電源，而銅絲圓環(huán)相當(dāng)于一個(gè)多電源復(fù)雜閉合電路的外電路．因此，由輻條和圓環(huán)構(gòu)成的回路中有感應(yīng)電流，電流方向如圖10所示．容易分析，圓環(huán)部分的電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)對(duì)磁針能產(chǎn)生徑向作用力但不能產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，而輻條中的電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)能對(duì)磁針產(chǎn)生切向作用力從而產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)力矩導(dǎo)致磁針轉(zhuǎn)動(dòng)．

圖10

4　問(wèn)題真相

關(guān)于阿拉果銅盤(pán)實(shí)驗(yàn)的電流問(wèn)題以及2015年普通高等學(xué)校招生全國(guó)統(tǒng)一考試(普通高中新課程標(biāo)準(zhǔn)Ⅰ卷)理科綜合能力測(cè)試第19題的答案爭(zhēng)議，給出如下定論:

(1)阿拉果銅盤(pán)實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生的是徑向電流，不是也不可能是渦電流．徑向感應(yīng)電流是導(dǎo)致磁針隨圓盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)的根本原因．

(2)2015年普通高等學(xué)校招生全國(guó)統(tǒng)一考試(普通高中新課程標(biāo)準(zhǔn)Ⅰ卷)理科綜合測(cè)試第19題的正確選項(xiàng)只能是“A”,即“圓盤(pán)上產(chǎn)生了感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)”．

5　歷史回顧

阿拉果銅盤(pán)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)之后，立刻引起了當(dāng)時(shí)科學(xué)界的極大關(guān)注，很多科學(xué)家、學(xué)者爭(zhēng)相重復(fù)這個(gè)實(shí)驗(yàn)并嘗試對(duì)之進(jìn)行理論解釋?zhuān)热?，法?guó)的畢奧(J.B.Biot,1774～1862年)和安培(A.M.Ampere,1775～1836年)、英國(guó)的巴洛(P.Barlow,1776～1862年)等都對(duì)這一問(wèn)題進(jìn)行過(guò)比較深入的研究，但終究都未能得出合理的結(jié)果．

法拉第(M.Faraday,1791～1867年)自1825年起，就開(kāi)始關(guān)注阿拉果實(shí)驗(yàn)并著手展開(kāi)研究．1831年法拉第在發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)之后的3,4個(gè)月時(shí)間內(nèi)，結(jié)合電磁感應(yīng)的一些理論又對(duì)阿拉果實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行細(xì)致的分析，最終給出科學(xué)而完美的解釋?zhuān)?/p>

6　結(jié)束語(yǔ)

全國(guó)高考是國(guó)家發(fā)現(xiàn)和選拔人才的重要途徑和手段．因此，高考試題的命制和評(píng)審都應(yīng)該是很?chē)?yán)密而系統(tǒng)的工程，原則上是不允許有錯(cuò)誤和大的失誤出現(xiàn)的．這就要求高考命題組的有關(guān)專(zhuān)家應(yīng)該站在一個(gè)較高的理論高度，在命制每一道試題過(guò)程中，必須對(duì)試題涉及的理論知識(shí)、物理學(xué)史等方面有清晰、清醒的認(rèn)識(shí)．同時(shí)，要求各省市高考評(píng)卷組的專(zhuān)家和評(píng)卷教師不僅要有一定的理論高度，而且要保持高度細(xì)心、細(xì)致和認(rèn)真的工作作風(fēng)，要善于發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，在正式評(píng)卷之前以及整個(gè)評(píng)卷過(guò)程中，必須對(duì)每一道試題及參考答案進(jìn)行細(xì)致推敲和領(lǐng)悟，對(duì)有紕漏的問(wèn)題進(jìn)行討論更正．只有這樣，才能為每年數(shù)百萬(wàn)計(jì)的莘莘學(xué)子創(chuàng)建公平的競(jìng)爭(zhēng)平臺(tái)．

1王洛印.法拉第對(duì)阿拉果實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的研究和解釋.哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(社會(huì)科學(xué)版)，2010,12(4):8～12

22015年普通高等學(xué)校招生全國(guó)統(tǒng)一考試(普通高中新課程標(biāo)準(zhǔn)Ⅰ卷)理科綜合能力測(cè)試物理試題參考答案及評(píng)分標(biāo)準(zhǔn).

ExperimentalResearchandAnalysisonAragoCopper-trayExperiment——Thinkingonaproblemfrom2015CollegeEntranceExam

HuangShaoshu

(No.23MiddleSchool,Liupanshui,Guizhou553001)

AexperimentalstudyofthedirectionofthecurrentandthemagneticrotationmechanisminArago′sexperimentoncopperplate;Areasonableanswerandexplanationtoproblem9insciencecomprehensivepaper(I)of2015CollegeEntranceExam.

Arago′sexperimentoncopperplate；collegeentrance；examsciencecomprehensivepaper；experimentalstudy；explanation；thinking

2015-03-04)