王 俊

(太和縣第三中學(xué) 安徽 阜陽 236600)

直流電動機工作時會產(chǎn)生感應(yīng)電流嗎
——對一道中考物理試題的思考

王 俊

(太和縣第三中學(xué) 安徽 阜陽 236600)

直流電動機正常工作時，線圈中的電流不能認(rèn)為是感應(yīng)電流．所以，不能認(rèn)為電動機工作過程中，線圈中也產(chǎn)生感應(yīng)電流．

直流電動機 感應(yīng)電流 電動勢

中考是僅次于高考的全國性考試，受到社會和學(xué)生的高度重視．因此，中考試題大都是嚴(yán)謹(jǐn)、科學(xué)的．也正是每年中考試題的嚴(yán)謹(jǐn)、科學(xué)，任課教師和很多的學(xué)習(xí)資料也時常把中考試題作為典型例題講解．平時學(xué)校各層次的考試中，也時常有中考試題“影子”的出現(xiàn)．因此，一旦中考試題中出現(xiàn)不嚴(yán)謹(jǐn)、不科學(xué)、不符合實際的試題出現(xiàn)，如果不能及時指正，會造成很大的遺患，會讓學(xué)生獲得錯誤的知識，形成錯誤的認(rèn)識．也會對學(xué)生的進一步學(xué)習(xí)帶來障礙．針對中考試題中的疑問，教師之間應(yīng)該深入探討，找到試題的最佳答案．本著對學(xué)生負(fù)責(zé)的態(tài)度，筆者針對2014年安徽省物理中考試題中的選擇題第12題提出自己的疑問，希望與其他同行探討．

【題目】如圖1為直流電動機的工作原理圖．以下相關(guān)的分析中正確的是( )

圖1 直流電動機的工作原理圖

A．電動機工作過程中，消耗的電能全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能

B．電動機工作過程中，消耗的電能全部轉(zhuǎn)化為機械能

C．電動機工作過程中，線圈中也產(chǎn)生感應(yīng)電流

D．電動機工作過程中，線圈中的電流方向保持不變

當(dāng)年試卷的標(biāo)準(zhǔn)答案中，本題的答案是C．在學(xué)校的教研活動中，教師們針對這個答案存在不同的觀點．有教師認(rèn)為答案C是錯誤的，也有教師認(rèn)為答案不存在問題．認(rèn)為答案正確的教師，其主要理由如下.

理由1：有教師認(rèn)為，在新人教版九年級物理全一冊教科書第二十章第5節(jié)“磁生電”這一節(jié)中，有這樣一段敘述，“閉合電路的一部分導(dǎo)體在磁場中做切割磁感線運動時，導(dǎo)體中就產(chǎn)生電流”．部分教師就據(jù)此總結(jié)出產(chǎn)生感應(yīng)電流的條件：(1)閉合回路；(2)部分導(dǎo)體在磁場中做切割磁感線運動．很多資料也都有這樣的總結(jié)．本題中，電源、閉合的開關(guān)、導(dǎo)線、線圈構(gòu)成閉合電路．當(dāng)電動機工作時，線圈在磁場中做切割磁感線運動，所以，閉合電路中會產(chǎn)生感應(yīng)電流．

理由2：在閉合開關(guān)后，線圈未轉(zhuǎn)動的時候，電路中電流較強，當(dāng)線圈轉(zhuǎn)動后，線圈中的電流變?nèi)酰@種變化的原因，正是由于線圈轉(zhuǎn)動時產(chǎn)生了與電源作用產(chǎn)生電流方向相反的感應(yīng)電流，線圈中的電流是這兩股電流“疊加”的總的表現(xiàn)．

筆者針對理由1的思考：把閉合回路和閉合回路的部分導(dǎo)體在磁場中做切割磁感線運動，作為產(chǎn)生感應(yīng)電流的條件是否可行呢？答案是否定的．如果仔細(xì)閱讀課本，我們會注意到課本的另外一段話，“這種由于導(dǎo)體在磁場中運動而產(chǎn)生電流的現(xiàn)象叫做電磁感應(yīng)，產(chǎn)生的電流叫做感應(yīng)電流”．所以，教材在給“感應(yīng)電流”下定義時，已經(jīng)很明確了，“感應(yīng)電流”是指由于電路中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢而形成的電流．在“閉合電路的一部分導(dǎo)體在磁場中做切割磁感線運動，導(dǎo)體中就會產(chǎn)生感應(yīng)電流”這句話的插圖解釋中也很明確，電路中并沒有其他外加電源(比如“干電池”等)．所以，感應(yīng)電流是指沒有外接電源的回路中，由于電磁感應(yīng)而產(chǎn)生的電流．課本總結(jié)感應(yīng)電流產(chǎn)生條件時，(“閉合電路的一部分導(dǎo)體在磁場中做切割磁感線運動，導(dǎo)體中就會產(chǎn)生感應(yīng)電流”)之所以沒有強調(diào)不能有外接電源，是因為，在探究感應(yīng)電流產(chǎn)生條件的前提下，不可能去外加電源．這樣也會給初中生的學(xué)習(xí)帶來麻煩．但是，課本還是在這段話附近的插圖中體現(xiàn)了這一點．對于我們討論的中考題，當(dāng)電動機工作時，閉合電路中除存在線圈切割磁感線產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢，還存在有外加電源電池的電動勢，而不是只有感應(yīng)電動勢．所以，線圈中的電流并不是只有感應(yīng)電動勢存在而形成的電流．而且，線圈中電流方向與假想存在的感應(yīng)電流方向是相反的．

筆者針對理由2的思考：同一根導(dǎo)線中，不可能同時出現(xiàn)兩股相反方向的電流．認(rèn)為線圈中的電流是這兩股電流的“疊加”是錯誤的．試想，在一根電流為零的導(dǎo)線中，我們不可以把它等效為方向相反、大小相等的兩股電流．否則，根據(jù)焦耳定律，這兩股電流都會有相應(yīng)的焦耳熱．但，導(dǎo)線中電流為零，根據(jù)焦耳定律，導(dǎo)線又不會產(chǎn)生焦耳熱，這是自相矛盾的．

在承認(rèn)同一根導(dǎo)線中，不可能同時出現(xiàn)兩股相反方向的電流的前提下，我們來分析前面提到的中考試題．如果線圈中只存在一個方向的電流，該電流的方向應(yīng)是電源正極—線圈—電源負(fù)極，這一點可以由安培左手定則和線圈的轉(zhuǎn)動方向判斷出來．如果線圈中有感應(yīng)電流(也只能存在感應(yīng)電流)，根據(jù)楞次定律可以判斷出電流方向，電源負(fù)極—線圈—電源正極，根據(jù)安培左手定則判斷，線圈不可能如題目中標(biāo)志的轉(zhuǎn)動方向．認(rèn)為線圈中電流是電源產(chǎn)生電流與感應(yīng)電流的整體表現(xiàn)，這是對疊加原理的誤解．疊加原理可以表述為：在線性電阻電路中，某處電壓或電流都是電路中各個獨立電源單獨作用時，在該處分別產(chǎn)生的電壓或電流的疊加．所以，當(dāng)電路中出現(xiàn)多個電源時，并非每個電源都會在電路中形成各自的電流．疊加原理只是為了方便判斷實際電路中電流的方向和大小的簡便方法．

根據(jù)試題中原理圖制作的電動機在電路開關(guān)閉合后，電路中的電流是什么情況呢？

在電路開關(guān)閉合后，線圈中產(chǎn)生電流，由安培左手定則可知，線圈會在磁場中逆時針方向加速旋轉(zhuǎn)，隨著線圈轉(zhuǎn)速的增加，線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢也逐漸的增加，由右手定則可知，感應(yīng)電動勢和電源電動勢的方向相反．所以，線圈中電流減小，線圈所受安培力變小，產(chǎn)生順時針轉(zhuǎn)動的力矩減小，但線圈轉(zhuǎn)速仍在增加，線圈中的感應(yīng)電動勢繼續(xù)增加，線圈中的電流繼續(xù)減?。绻豢紤]一切摩擦，當(dāng)線圈的轉(zhuǎn)速達到一定值時，感應(yīng)電動勢與電源電動勢大小相等、方向相反，線圈中的感應(yīng)電流為零，線圈會持續(xù)勻速轉(zhuǎn)動．若考慮摩擦，則線圈中電流方向應(yīng)與電池電動勢的方向相同，只有這樣線圈內(nèi)安培力的力矩才與摩擦力產(chǎn)生的力矩平衡，維持線圈勻速轉(zhuǎn)動．所以，線圈中不會產(chǎn)生與感應(yīng)電動勢相同方向的電流，也就是說，線圈中不會產(chǎn)生感應(yīng)電流．

綜上所述，題目中的電動機模型在轉(zhuǎn)動的時候，線圈中并沒有產(chǎn)生感應(yīng)電流，只是產(chǎn)生了感應(yīng)電動勢．題目中電動機模型線圈中的電流是電源化學(xué)電動勢和線圈感應(yīng)電動勢的共同作用結(jié)果．如果按照中考試卷答案來給學(xué)生講解此題，會帶給學(xué)生形成一種錯誤的認(rèn)識——同一根導(dǎo)線中可以同時存在相反方向的兩股電流．若認(rèn)識到同一根導(dǎo)線中不可能同時存在相反方向的兩股電流，學(xué)生會很容易把線圈中的電流看做感應(yīng)電流，會給學(xué)生進入高中后學(xué)習(xí)楞次定律帶來學(xué)習(xí)障礙．所以，筆者認(rèn)為該題C選項不能作為標(biāo)準(zhǔn)答案．

1 賈起民,鄭永令,陳暨耀.電磁學(xué).北京：高等教育出版社，2001.5

2 2014年安徽省初中畢業(yè)學(xué)業(yè)考試物理試題卷.

2017-03-05)