對“雙環實驗”的再探究

邱會明徐思涌

(南京金陵中學 江蘇 南京 210005)

在人教版《物理·選修3-2》第三節“楞次定律”的問題與習題中，有一個 “雙環實驗”，如圖1所示．筆者利用課余時間對該實驗進行了驗證，結果發現，如果用普通磁鐵(10-2T量級)進行實驗，其結果與人教版《物理·選修3-2》教師用書的解答相符；如果改用強磁鐵(0.4～0.5T)進行實驗， 對閉合的A環實驗的結果與解答相同，對有個缺口的B環實驗的結果與解答完全相反．筆者針對上述問題重新進行了猜想、設計方案和實驗驗證等探究活動，得出了制約“雙環實驗”的兩個因素，最后對課本中的“雙環實驗”提出了一點修改建議．

1 雙環實驗的異常現象

1.1 雙環實驗

圖1中的A和B都是鋁環，橫梁可以繞中間的支點轉動．用磁鐵的任意一極接近A環，會產生什么現象？把磁鐵從A環移開，會產生什么現象？磁極移近或遠離B環時，又會產生什么現象？解釋發生的現象．

圖1 雙環實驗

1.2 雙環實驗的異?，F象

雙環實驗的現象：用磁感應強度為10-2T量級的普通磁鐵的任一極(如S極)接近A環時，A環將遠離磁鐵;當磁鐵遠離A環時，A環將靠近磁鐵．磁極靠近或遠離B環時，B環不移動．

雙環實驗的異?，F象：用磁感應強度為0.4～0.5T的高強度磁鐵的任一極(如N極)靠近A，B環時，A，B環將遠離磁鐵；當磁鐵遠離A，B環時，A，B環將靠近磁鐵．不過，斷開的B環遠離和靠近的效果雖然比A環弱一些，但仍能清晰可見．根據楞次定律，由于B環是斷開的，無論磁極靠近或遠離B環，都不會在B環中形成感應電流，所以B環不移動．可見，雙環實驗出現了異?，F象．

2 猜想

2.1 猜想1

在磁鐵插入B環的過程中，由于磁性很強，且磁感線是閉合線，部分磁感線同時穿過了另一端閉合的A環，穿過A環中的磁通量發生變化，根據楞次定律，A環阻礙磁通量的變化而發生運動，帶動支架與B環運動．

2.2 猜想2

磁鐵插入B環的過程中，B環中引起了短暫的充電電流，正是這個短暫的充電電流阻礙了B環與磁鐵的相對運動，從而引起了B環的運動．

2.3 猜想3

在磁鐵插入B環的過程中，磁感線穿過了B環側壁，在側壁面產生了渦流，正是這些渦流阻礙了B環與磁鐵的相對運動，從而引起了B環的運動．

3 實驗驗證

3.1 驗證1——等效法

實驗方案：如圖2所示，把強磁鐵垂直于A，B環平面放置，并位于A環的左側，使得磁鐵和B環關于A環的中心大致對稱.讓高強度磁鐵垂直于A，B環的平面內運動．這樣，高強度磁鐵穿過A環中的磁通量發生變化的效果與猜想1相同，如果實驗中B環運動，說明猜想1是正確的，反之亦成立．

實驗結果：多次實驗表明，B環并沒有運動，說明猜想1是錯誤的．

圖2 等效法的實驗驗證

3.2 驗證2——比較法

實驗方案：如圖3所示，制作兩個有缺口鋁環，其中有一個缺口的環為B1、有兩個缺口的環為B2．在B1，B2的缺口處分別安裝一個彎曲成直角形“┛”的有機玻璃棒，在B2的另一個缺口用一小塊平面有機玻璃固定連接.如圖4所示，“┛”有機玻璃棒的短邊與缺口固定連接，長邊與鐵架臺固定．

圖3 彎成直角的缺口鋁環

圖4 比較法的實驗驗證

把B1，B2缺口的兩端分別與靈敏電流計G1，G2相連.用高強度磁鐵分別插入B1和B2時，觀察G1，G2是否偏轉．由于B1與G1內部形成一個閉合回路，磁鐵插入時，回路中產生感應電流，G1偏轉．B2與G2沒有構成閉合回路，磁鐵插入時，如果觀察到G2偏轉，說明B環中引起了短暫的充電電流；如果G2沒有偏轉，說明B環中無短暫的充電電流或電流很弱．通過觀察G1，G2是否偏轉，及比較G1，G2偏角的大小，就可以知道充電電流的強弱，從而可以猜判斷出猜想2的正確與否．

實驗結果：多次實驗表明，G1偏轉，G2不偏轉，說明猜想2是錯誤的．

3.3 驗證3——排除法

實驗方案：如圖5所示，用精加工的方法挖去B環的側壁面，以消減渦流的大?。捎贐環的重量減小了，因此帶來雙環的不平衡，在實際制件過程中，在B環缺口的對稱部位應加上適當的配件，以維持雙環的穩定平衡．用高強度磁鐵插入或拔出圖5中的B環，如果B環不運動或運動效果減小，說明猜想3正確，反之亦成立．

實驗結果：多次實驗表明，當高強度磁鐵插入或拔出圖5中的B環時，B環沒有運動，說明猜想3是正確的．

圖5 排除法的實驗驗證

4 對雙環實驗的一點建議

通過上述的實驗探究可以看出，制約雙環實驗有兩個重要的因素：第一是鋁環的構造；第二是磁鐵的強弱．用普通磁鐵做雙環實驗時，鋁環通和斷的矛盾性凸顯出來；用高強度磁鐵做雙環實驗時，鋁環側壁面積的大和小的矛盾性得以充分的體現．因此，在做雙環實驗時，一定要考慮到鋁環的構造和所用磁鐵的強度這兩個制約雙環實驗的重要因素．這個實驗的再探究使我們透過了“B(有個缺口)環運動”的現象，看到了“B環的側壁對運動產生影響”的本質．課本中安排雙環實驗的目的是得到“鋁環的通和斷影響鋁環的運動”的結論．筆者認為，在雙環實驗中，應該加上“用普通磁鐵(為10-2T量級)和細環”的條件，這樣“雙環實驗”的現象才能與預設的結論相一致．

編后語

本文作者在教學中善于發現問題，深入思考，動手做實驗的做法值得提倡．希望能有更多的一線教師多做這方面的工作，教學搞得生氣蓬勃，學生學得靈活主動，師生的聰明才智得以充分發揮，社會需要的人才就會源源不斷地涌現出來．