楞次定律演示實驗中的一個奇怪現象及其解釋

寧 成

☆創新實驗☆

楞次定律演示實驗中的一個奇怪現象及其解釋

寧 成

如圖1所示，a，b都是很輕的鋁環，環a是閉合的，環b是不閉合的，a，b環都固定在一根可以繞O點自由轉動的水平細桿上，此時整個裝置靜止。

實驗一：使條形磁鐵N極垂直并插入a環

結果：a環向遠離磁鐵方向運動。

實驗二：使條形磁鐵N極垂直并插入b環

結果：b環不動。

實驗三：將原來的條形磁鐵換為強磁鐵，使磁鐵N極垂直并插入b環

結果：b環向遠離磁鐵方向運動。

圖1

為什么磁鐵插入不閉合線圈時，線圈也會受磁場力而運動？為什么會出現這樣的奇怪現象？

實驗一和實驗二的結果，應用楞次定律很容易做出解答，那么實驗三的結果又該如何解釋呢？

原來，變化的磁場在周圍空間產生電場。在磁鐵靠近并插入線圈過程中，線圈所在位置的磁場發生變化，因此線圈所在位置產生電場。閉合線圈中的電荷在電場力的作用下定向移動，形成了電流。閉合線圈中的電流受磁場力，在磁場力作用下閉合線圈運動，其運動的結果是阻礙磁通量的變化。

要使閉合電路中有電流，就必須有電源。磁通量發生變化的線圈就是電源，根據法拉第電磁感應定律，感應電動勢與穿過線圈的磁通量變化率成正比。線圈不閉合時，仍有感應電動勢產生。

電源有正極、負極。電源正極帶正電，電勢高；電源負極帶負電，電勢低。磁鐵N極垂直并插入b環過程中，線圈有感應電動勢產生，線圈兩端有電勢差，線圈兩端分別帶正、負電荷。在線圈兩端分別積累正、負電荷的過程中，電荷在定向移動，形成了電流(電源的充電電流)，線圈中的電流受磁場力，在磁場力作用下線圈運動。因此，不閉合線圈磁通量變化時也會受磁場力。那么，在磁場不是很強情況下的實驗二，在磁鐵N極垂直并插入b環過程中，線圈有沒有電流呢？可以肯定地回答，只要穿過線圈的磁通量變化，就有電流(電源的充電電流，充電結束時電流消失)。

既然實驗二和實驗三，線圈中都有電流，那為什么會出現兩種不同的結果呢？主要原因是，磁場較弱時電流很弱，線圈受磁場力很小，不足以使線圈繞軸轉動起來；磁場很強時電流較強，線圈受到的磁場力足以使線圈繞軸轉動起來。

教學建議：在用楞次環演示時，所用磁鐵的磁場不能太強，否則在磁鐵靠近(遠離)閉合線圈(閉合鋁環)的過程中，線圈受力大，效果顯著；但在磁鐵靠近(遠離)不閉合線圈(不閉合鋁環)的過程中，線圈也會運動，這就不好解釋了。若立即給學生解答，會沖淡這節課的主題。在階段綜合復習時，可以把這個問題留給有興趣的學生討論，讓他們深刻理解電源(電容器)充電過程電路中是有電流的這一知識點。

2012-05-25

寧成，本科，特級教師。

北京市第三十五中學。

本文系北京市第三十五中學“高水平中學物理教師團隊教育教學研究能力形成與發展的個性化培養實踐研究”項目階段性成果。