法拉第電磁感應現象與阿拉果圓盤實驗探討

莊業友

(江蘇省泗陽致遠中學，江蘇　泗陽　223700)

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法拉第電磁感應現象與阿拉果圓盤實驗探討

莊業友

(江蘇省泗陽致遠中學，江蘇泗陽223700)

摘要：本文介紹阿拉果生平及“圓盤實驗”，探討法拉第對阿拉果圓盤實驗的解釋及這項研究對于促進電磁感應定律建立的意義.

關鍵詞：阿拉果;圓盤實驗;法拉第;電磁感應現象

1問題的提出

圖1

2015年高考(新課標卷Ⅰ)第19題考查了阿拉果“圓盤實驗”,原題如下:1824年法國科學家阿拉果完成了著名的“圓盤實驗”.實驗中將一銅圓盤水平放置,在其中心正上方用柔軟細線懸掛一枚可以自由旋轉的磁針(如圖1)，實驗發現：當圓盤在磁針的磁場中繞過圓盤中心的豎直軸旋轉時,磁針也隨著一起轉動起來,但略有滯后.下列說法正確的是().

A． 圓盤上產生了感應電動勢

B． 圓盤內的渦電流產生的磁場導致磁針轉動

C． 在圓盤轉動的過程中,磁針的磁場穿過整個圓盤的磁通量發生了變化

D． 圓盤中的自由電子隨圓盤一起運動形成電流,此電流產生的磁場導致磁針轉動

解析:在圓盤運動過程中,沿半徑方向的金屬條在切割磁感線,在圓心和邊緣之間產生了感應電動勢,選項A對;圓盤在徑向的輻條切割磁感線過程中,內部距離圓心遠近不同的點電勢不等，而產生渦電流,選項B對;圓盤轉動過程中,圓盤位置、面積和磁場都沒有發生變化,所以沒有磁通量的變化,選項C錯;圓盤本身呈現電中性,不會產生環形電流,選項D錯.本題主要是考查法拉第電磁感應現象,而題中提到的阿拉果“圓盤實驗”與法拉第電磁感應現象有著什么樣的聯系？我們還是要從認識阿拉果及其“圓盤實驗”開始.

2阿拉果的生平及圓盤實驗

阿拉果是法國天文學家、物理學家，1786年2月26日出生在法國東部比利牛斯省的埃斯特熱勒.他在15歲時就只身去巴黎，兩年半內他掌握了考試所需的一切知識,還學習了歐拉的無限小量分析、拉格朗日的解析函數理論和分析力學、拉普拉斯的天體力學,這使主考人蒙日大吃一驚,蒙日給了他最高的評語.阿拉果在1803年底入大學,1804年經泊松推薦,擔任了巴黎天文臺的秘書,并于1806年跟隨物理學家畢奧到西班牙進行大地考察.

阿拉果做圓盤實驗的思想來自于一次偶然的發現，1822年阿拉果和德國物理學家馮·洪堡在英國格林威治的一座小山上測量地磁強度時發現,放在銅底座上的擺動磁針與孤立放置的磁針相比,其振動振幅衰減較快.他考慮是否存在逆效應,即旋轉的銅盤能帶動附近的磁針轉動,實驗證明有此效應,這個發現也就是物理學史上著名的“阿拉果銅盤實驗”.阿拉果也由于發現這一現象,獲得了1825年英國皇家學會的科普利獎.這個實驗在當時引起了許多物理學家極大的興趣,如物理學家安培、畢奧及數學家巴貝奇等都試圖對其作出理論解釋,但都由于認知上的錯誤而導致最終的失敗.

3法拉第電磁感應現象

法拉第于1831年發現的電磁感應現象無疑是科學史上最重要的發現之一,它揭開了電力時代的序幕,對人類社會的發展和文明的進步產生了極為重要的影響.而實際上,他的這一發現,與其對阿拉果圓盤實驗的研究有著緊密聯系.

法拉第對阿拉果圓盤實驗的關注和研究從1825年12月就開始了.其后,隨著電磁感應現象的發現,他進一步對圓盤實驗現象進行了研究和思考:怎樣制造一個裝置,使其通過持續旋轉產生穩定的電流？受阿拉果圓盤實驗的啟發,法拉第就將巴羅輪反過來運行，巴羅輪由英國物理學家巴羅制成，主要構件是架在水平軸上的一個鉛直的活動銅盤,下方侵入一個水銀槽里,上方夾在一塊馬蹄形磁鐵之間,當通過軸心和水銀槽供給電流的時候,銅盤就轉動起來.法拉第將架在水平軸上的鉛直活動銅盤一側夾在馬蹄形磁鐵中間,轉動銅盤時,發現在由盤心到邊緣的半徑方向上產生電流,只要圓盤不停地勻速旋轉,產生的電流就穩定不變.這實際上就是發電機的雛型.由此,他發明了最原始的直流發電機,并借助電磁感應原理完美地解釋了阿拉果圓盤實驗的內在機理,說明所觀察到的實驗現象完全是磁體和銅盤相對運動所產生的感應電流作用所致.

實際上,現代生產和生活中廣泛應用的各種電磁驅動裝置,其原理本質上也都是阿拉果圓盤實驗的應用.但是,長期以來,在幾乎所有涉及這一研究的論著中,對法拉第研究和解釋阿拉果圓盤實驗現象的詳細實驗過程以及這項研究對于促進電磁感應定律建立的意義都未作充分的論述,對于二者之間的緊密聯系也未給予充分的說明及論述,很多的中學教材及教輔資料中更是只字未提,致使人們對此研究的實際過程及其產生的重要影響還存在一定的模糊認識.所以我們有必要重新了解歷史.其實,法拉第在發現電磁感應現象的第二天,就考慮用電磁感應現象來解釋阿拉果實驗,他在日記中寫道:“在阿拉果實驗中,靜止及運動的金屬表現出力量上的差異,出現這種差異的原因是否可以和這些瞬時效應(感應電流的瞬時效應)聯系起來？”他在著名的《電學實驗研究》一書的第2節中,稱贊它為“非凡的實驗”.在第4節中表示他的電磁感應實驗是“完滿解釋阿拉果現象的鑰匙”,并把長達69節的第4章命名為“阿拉果磁現象的解釋”.可見這一實驗影響之深遠,也可以看出法拉第電磁感應現象與阿拉果圓盤實驗的緊密聯系.

參考文獻：

[1] 鄭惠玉,楊華.阿拉果和阿拉果圓盤實驗[J].中學物理教學參考,1999,(6).

[2] 王洛印.法拉第對阿拉果銅盤實驗現象的研究和解釋[J].哈爾濱工業大學學報(社會科學版),2010,(7).