例談楞次定律中“阻礙”一詞的深度解瀆

鄭曄豪

楞次定律內容的關鍵詞是“阻礙”二字，主要運用于感應電流方向的判斷。而在很多問題的處理中，“阻礙”二字還需進一步解讀，以方便學生對相關問題的理解。本文借助于幾個典型例題及其講評，引導學生自主發現、總結出結論，并將自主分析的結果運用到新的問題解決中去。

1阻礙原磁通變化——增縮減擴

例題呈現 如圖1所示的M、N兩條光滑的導軌平行固定在水平面上，其上放有P、Q兩根平行的導體棒，它們構成了一個閉合回路。現在有一條形磁鐵從上方逐漸接近該回路，P、Q兩根導體棒間的距離將____（選填“不變”、“增加”、“減小”）。

思路精析

初次引導學生解析本題時，教師應該引導學生思考這樣的問題：P、Q為什么會出現距離上的調整？什么力促使了導體棒的運動？在這一情境中，條形磁鐵的接近導致下方回路中磁通量發生變化，進而激起感應電流，通電導體棒相應地受到磁場安培力的影響，使其運動進而發生距離上的調整，因此本題的處理流程如下：運用楞次定律判斷電流方向，再利用左手定則判斷安培力方向，進而鎖定答案。這樣的思路從問題的本質出發，容易讓學生接受。但是本題的處理還需解決一些隱含問題，比如判斷感應電流方向時，首先就要區分條形磁鐵到底哪一極向下呢？這里就必須進行假設。假設Ⅳ極向下，判斷出感應電流的方向，再將電流方向與磁場方向聯系，可得安培力是讓導體棒往內側運動的；那么如果S極向下，給導體棒提供了與之前相反的磁場環境，則感應電流方向相反，反向的電流在反向的磁場中所受安培力方向與之前情形一致，則導體棒間的距離仍然要減小。

結論歸納 相關思路理順之后，教師引導學生從結果來看這個問題，按照以下步驟來深化有關楞次定律的理解：①定性回顧磁通量大小的影響因素：線框面積和對應區域的磁感應強度B；②當條形磁鐵和導體框架接近時，磁場對回路影響增強，即回路區域磁感應強度B要增大，再從結果來看，P、Q兩導體棒靠近，導致面積怎么變？這樣變化對磁通量有什么影響？顯而易見，面積減小，這一變化有助于磁通量的減小；③對比條形磁鐵的靠近和導體棒的收攏，二者在磁通量的關系上有什么關聯呢？導體棒的運動能從調整面積的角度阻礙磁通量的變化。以上內容可以將“阻礙”一詞理解為四個字“增縮減擴”。

拓展運用

有一個硬質矩形導線框abcd放在光滑的水平面上，現在將其一半放在豎直向下的勻強磁場中，如圖2所示為俯視圖，現在令該勻強磁場的磁感應強度逐漸增強，問該導線框會朝哪一側運動？

解析 本題運動的根源還是在于安培力的作用，有ab、ad、bc都受到安培力的作用，從增縮減擴這一結論來理解，三條邊的受力作用應該使面積減小來反抗磁通量的增大。則上下兩條邊受力等大反向，就整體運動而言正好平衡，故框架運動主要取決于ab邊所受安培力，即向左。而向左的結果也是導致其處于磁場中面積減小和之前的結論一致。

2阻礙相對運動——來拒去留

例題呈現 如圖3所示，一個螺線管豎直放置，其上方一根條形磁鐵由靜止開始釋放，請討論條形磁體在接近和遠離螺線管的過程中，它的加速度與重力加速度相比，其大小有何特點？

思路精析 本題的分析也要立足于加速度產生的本質來進行研究。因此需受力分析，條形磁鐵在運動的整個過程中都受到重力，此外就是因為條形磁鐵導致螺線管所處區域的磁通量發生變化，進而發生電流，條形磁鐵與螺線管感應電流之間的安培力會給條形磁體的運動帶來影響，故本題的處理思路如下：先通過楞次定律判斷螺線管中的感應電流的磁場方向特點，進而將螺線管類比為條形磁鐵，通過條形磁鐵和螺線管之間屬于同名磁極相對還是異名磁極相對，來判斷二者間的安培力屬于引力還是斥力，最后可判斷加速度的大小特點。本題判斷感應電流的方向也存在難點，即條形磁體的磁極位置較為模糊，因此也要通過假設來進行處理：假設條形磁鐵的N極向下，則在其向下靠近的過程中，感應電流的磁場方向應該向上，即螺線管所類比的條形磁鐵Ⅳ極向上，二者之間的安培力屬于斥力；如果條形磁鐵的Js極朝下，類似的分析亦可得二者間安培力仍為斥力。因此有結論，在接近的過程中，條形磁鐵除了重力之外，還有體現為阻力的安培力，則加速度小于重力加速度。當條形磁鐵穿過螺線管之后，在其下方逐漸遠離時，從楞次定律的角度來講，無論條形磁鐵的哪一極向上，都是磁通量在減少，則感應電流的磁場方向與原磁場方向相同，則螺線管所等效的條形磁鐵與原磁體屬于異名磁極相對，二者相互吸引，對其遠離過程而言仍屬于阻力，則加速度也是小于重力加速度的。

結論歸納 在這一問題中，條形磁體的運動引起了螺線管區域磁通量的變化，進而激發感應電流，而感應電流與條形磁鐵之間的安培力給條形磁體的運動帶來什么影響？阻礙條形磁鐵的相對運動，在描述時，教師可以形象化地指出：安培力視圖將彼此凍結在現有位置，以相對靜止的姿態阻礙螺線管區域磁通量的變化，相關結論與條形磁體的N極和S極的朝向無關，可以將結論濃縮為四個字“來拒去留”。

拓展應用 如圖4所示，一導電圓環用輕繩懸掛，現在將條形磁鐵從左側向圓環推進，則圓環會發生怎樣的運動？

A.向左移動 B.向右移動

C.靜止不動 D.無法判斷

解析

本情境中感應電流的出現，源于磁鐵的靠近導致線圈磁通量變大，因此從彼此間的安培力阻礙相對運動的角度來講，磁鐵受力向左，而線圈受力向右，則答案選擇B項。此外本題的處理與條形磁鐵的磁極所在沒有直接關系。

綜上所述，無論是“增縮減擴”，還是“來拒去留”，本質上還是磁場對感應電流安培力所起到的效果一種簡化。實際教學中，教師在引導學生對此類問題進行處理時，務必要讓學生知其然更須知其所以然，即既能通過深層次理解“阻礙”一詞快捷處理問題，也要能回溯本源，用最根本的思路來分析問題。只有如此，學生的相關認知才能融會貫通。