正確理解楞次定律之“阻礙”

■甘肅省高臺縣第一中學 馬占寶

正確理解楞次定律之“阻礙”

■甘肅省高臺縣第一中學 馬占寶

1834年,楞次在概括了大量實驗事實的基礎上,總結出了一條判斷感應電流方向的規律,稱為楞次定律。楞次定律是電磁學中的一條最重要的定律之一,利用它,可以判斷出電磁感應現象中感應電流的方向。

一、同學們在學習楞次定律時,感覺難以理解和熟練應用的三個主要原因

1.從靜到動的一個飛躍：同學們在學習“楞次定律”之前所學的電場和磁場只是局限于“靜態場”考慮,而楞次定律所涉及的是變化的磁場與感應電流的磁場之間的相互關系,是一種“動態場”,顯然“靜到動”是一個大的飛躍,理解起來必定要感覺困難一些。

2.內容、關系的復雜性：楞次定律涉及的物理量多,關系復雜。產生感應電流的原磁場與感應電流的磁場兩者都處于同一線圈中,且感應電流的磁場總要阻礙原磁場的變化,它們之間既相互依賴又相互排斥。同學們如果不能夠明確各物理量之間的關系,勢必會感覺思路混亂,影響對該定律的理解。

3.同學們知識、能力的儲備不足：要想理解楞次定律必須具備一定的思維能力,而大多數同學的抽象思維和空間想象能力還不是很強,對物理知識的理解、判斷、分析、推理常常表現出一定的主觀性、片面性和表面性,導致在某些問題的理解上容易出現差錯。

二、正確理解楞次定律的內容及“阻礙”的含義

1.楞次定律的內容：感應電流具有這樣的方向,即感應電流的磁場總要阻礙引起感應電流的磁通量的變化。

2.對“阻礙”二字的理解：要正確全面地理解楞次定律必須從“阻礙”二字上下工夫,這里起“阻礙”作用的是“感應電流的磁場”,它阻礙“原磁通量的變化”,不是阻礙原磁場,也不是阻礙原磁通量。不能認為“感應電流的磁場必然與原磁場的方向相反”或“感應電流的方向必然與原電流的流向相反”。當穿過閉合回路的磁通量增加時,感應電流的磁場方向總是與原磁場的方向相反;當穿過閉合回路的磁通量減小時,感應電流的磁場方向總是與原磁場的方向相同。另外,“阻礙”不能理解為“阻止”,原磁場是主動的,感應電流的磁場是被動的,原磁通量仍然要發生變化,是阻止不了的,感應電流的磁場只是起阻礙作用而已。因此楞次定律也可以表述為：閉合回路中感應電流的方向,總是使得它所激發的磁場來阻礙引起感應電流的磁通量的變化。也可以簡練地表述為：感應電流的效果,總是阻礙引起感應電流的原因。

圖1

例1 如圖1所示,光滑的水平桌面上放著兩個完全相同的金屬環a和b,當一條形磁體的S極豎直向下迅速靠近兩環中間時,則( )。

A.金屬環a、b靜止不動

B.金屬環a、b相對靠近

C.金屬環a、b相對遠離

D.金屬環a、b向上跳起

解析：因為條形磁鐵向下運動使得通過金屬環a、b的磁通量發生變化,所以金屬環a、b中將產生感應電流,感應電流與磁鐵間存在阻礙磁鐵與金屬環相互靠近的作用力,使得兩金屬環向遠離磁鐵的方向運動。答案為C。

點評：感應電流的效果,總是阻礙引起感應電流的原因。條形磁鐵向下運動引起金屬環中的磁通量增加,兩金屬環唯有遠離,才能阻礙其磁通量的增加。

3.弄清最基本的因果關系：感應磁場與原磁場的磁通量變化之間是阻礙與被阻礙的關系,原磁場磁通量的變化是因,感應電流的產生是果,原因引起結果,結果又反作用于原因,二者相互作用。

4.正確認識楞次定律與能量轉化的關系：楞次定律是能量轉化和守恒定律在電磁運動中的體現,感應電流的磁場阻礙引起感應電流的原磁場的磁通量的變化,因此為了維持原磁場磁通量的變化,就必須存在動力的作用,這種動力克服感應電流的磁場的阻礙作用做功,將其他形式的能轉變為感應電流的電能。

5.多角度理解楞次定律：從反抗效果的角度來理解,感應電流的效果總是要反抗產生感應電流的原因,這是楞次定律的另一種表述。依這一表述,楞次定律可以推廣為：(1)阻礙原磁通量的變化,可以把原磁場與感應電流的磁場方向之間的關系理解為“增反減同”;(2)阻礙(導體的)相對運動(由導體相對磁場運動引起感應電流的情況),可以理解為“來拒去留”;(3)阻礙回路面積的變化(由磁場相對電路運動引起感應電流的情況),可以理解為“增縮減擴”。

例2 (2016年高考上海卷)如圖2甲所示,螺線管內有平行于軸線的外加勻強磁場,規定圖中箭頭所示方向為其正方向。螺線管與導線框abcd相連,導線框內有一小金屬圓環L,圓環與導線框在同一平面內。當螺線管內的磁感應強度B隨時間t按如圖2乙所示的規律變化時,則( )。

圖2

A.在t1～t2時間內,圓環有收縮的趨勢

B.在t2～t3時間內,圓環有擴張的趨勢

C.在t2～t3時間內,圓環內有沿逆時針方向的感應電流

D.在t3～t4時間內,圓環內有沿順時針方向的感應電流

解析：應用“增縮減擴”可以迅速判定選項A正確;應用“增反減同”可以迅速判定選項D正確。答案為A D。

點評：本題若應用楞次定律一步一步地判斷,自然也是可以得出正確答案的,但比較耗費時間。同學們若真正理解了楞次定律,就可以輕松快速地解決此類問題了。

跟蹤訓練

圖3

1.如圖3所示,光滑的金屬導軌A B、C D水平固定放置,兩根導體棒P Q、MN平放于互相平行的固定導軌上形成一個閉合回路。在一條形磁鐵從回路上方下落(未到達導軌平面)的過程中,導體棒P Q、MN的運動情況是( )。

A.互相靠近

B.互相遠離

C.均靜止

D.因磁鐵下落時的極性未知而無法判斷

圖4

2.如圖4甲所示,Ⅰ和Ⅱ是兩個平行共軸放置的環形線圈,當線圈Ⅰ中的電流i1隨時間t變化的圖像如圖4乙所示時,若規定兩電流方向如圖4甲中箭頭所示的方向為正方向,則線圈Ⅱ中的電流i2隨時間變化的圖像是圖5中的( )。

圖5

參考答案：1.A 2.D

(責任編輯 張 巧)