直流電動(dòng)機(jī)工作時(shí)會(huì)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(dòng)機(jī)工作時(shí)會(huì)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(dòng)機(jī)正常工作時(shí)，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(dòng)機(jī)工作過程中，線圈中也產(chǎn)生感應(yīng)電流．

直流電動(dòng)機(jī) 感應(yīng)電流 電動(dòng)勢

中考是僅次于高考的全國性考試，受到社會(huì)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(shí)常把中考試題作為典型例題講解．平時(shí)學(xué)校各層次的考試中，也時(shí)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(shí)際的試題出現(xiàn)，如果不能及時(shí)指正，會(huì)造成很大的遺患，會(huì)讓學(xué)生獲得錯(cuò)誤的知識(shí)，形成錯(cuò)誤的認(rèn)識(shí)．也會(huì)對學(xué)生的進(jìn)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(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)的工作原理圖

A．電動(dòng)機(jī)工作過程中，消耗的電能全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能

B．電動(dòng)機(jī)工作過程中，消耗的電能全部轉(zhuǎn)化為機(jī)械能

C．電動(dòng)機(jī)工作過程中，線圈中也產(chǎn)生感應(yīng)電流

D．電動(dòng)機(jī)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(dòng)中，教師們針對這個(gè)答案存在不同的觀點(diǎn)．有教師認(rèn)為答案C是錯(cuò)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(jí)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(yùn)動(dòng)時(shí)，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(yùn)動(dòng)．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(dòng)機(jī)工作時(shí)，線圈在磁場中做切割磁感線運(yùn)動(dòng)，所以，閉合電路中會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流．

理由2：在閉合開關(guān)后，線圈未轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候，電路中電流較強(qiáng)，當(dāng)線圈轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)時(shí)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(yùn)動(dòng)，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(huì)注意到課本的另外一段話，“這種由于導(dǎo)體在磁場中運(yùn)動(dòng)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(shí)，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(dòng)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(yùn)動(dòng)，導(dǎo)體中就會(huì)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(shí)，(“閉合電路的一部分導(dǎo)體在磁場中做切割磁感線運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)體中就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流”)之所以沒有強(qiáng)調(diào)不能有外接電源，是因?yàn)椋谔骄扛袘?yīng)電流產(chǎn)生條件的前提下，不可能去外加電源．這樣也會(huì)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(diǎn)．對于我們討論的中考題，當(dāng)電動(dòng)機(jī)工作時(shí)，閉合電路中除存在線圈切割磁感線產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢，還存在有外加電源電池的電動(dòng)勢，而不是只有感應(yīng)電動(dòng)勢．所以，線圈中的電流并不是只有感應(yīng)電動(dòng)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(shí)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(cuò)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(huì)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(huì)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(shí)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(gè)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(diǎn)可以由安培左手定則和線圈的轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)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(gè)獨(dú)立電源單獨(dú)作用時(shí)，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(gè)電源時(shí)，并非每個(gè)電源都會(huì)在電路中形成各自的電流．疊加原理只是為了方便判斷實(shí)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(dòng)機(jī)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(huì)在磁場中逆時(shí)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(dòng)勢也逐漸的增加，由右手定則可知，感應(yīng)電動(dòng)勢和電源電動(dòng)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(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)的力矩減小，但線圈轉(zhuǎn)速仍在增加，線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢繼續(xù)增加，線圈中的電流繼續(xù)減小．如果不考慮一切摩擦，當(dāng)線圈的轉(zhuǎn)速達(dá)到一定值時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢與電源電動(dòng)勢大小相等、方向相反，線圈中的感應(yīng)電流為零，線圈會(huì)持續(xù)勻速轉(zhuǎn)動(dòng)．若考慮摩擦，則線圈中電流方向應(yīng)與電池電動(dòng)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(dòng)．所以，線圈中不會(huì)產(chǎn)生與感應(yīng)電動(dòng)勢相同方向的電流，也就是說，線圈中不會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流．

綜上所述，題目中的電動(dòng)機(jī)模型在轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)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(dòng)勢．題目中電動(dòng)機(jī)模型線圈中的電流是電源化學(xué)電動(dòng)勢和線圈感應(yīng)電動(dòng)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(huì)帶給學(xué)生形成一種錯(cuò)誤的認(rèn)識(shí)——同一根導(dǎo)線中可以同時(shí)存在相反方向的兩股電流．若認(rèn)識(shí)到同一根導(dǎo)線中不可能同時(shí)存在相反方向的兩股電流，學(xué)生會(huì)很容易把線圈中的電流看做感應(yīng)電流，會(huì)給學(xué)生進(jìn)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(xiàng)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)