弄清電磁感應(yīng)相關(guān)問(wèn)題的四原則

楊端清

(漢川市第一高級(jí)中學(xué) 湖北 漢川 431600)

在電磁感應(yīng)現(xiàn)象中，總是同時(shí)存在相互關(guān)聯(lián)的諸多因素，如磁生電與電生磁、原電流與感應(yīng)電流、原磁場(chǎng)與感應(yīng)磁場(chǎng)、原磁場(chǎng)力與感應(yīng)磁場(chǎng)力、導(dǎo)線切割磁感線的外力與感應(yīng)電流的安培力、回路總的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與局部感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)等等．如何建立正確的物理模型進(jìn)行分析，哪是主要因素？哪是次要因素？哪是原因？哪是結(jié)果？這些問(wèn)題錯(cuò)綜復(fù)雜，學(xué)生難以弄清．筆者在教學(xué)中總結(jié)出“四看四原則”，學(xué)生容易理解和具體操作．現(xiàn)結(jié)合實(shí)例分析說(shuō)明．

原則一——看能量傳輸：引起原因?yàn)橹鳎a(chǎn)生結(jié)果為次

圖1

【例1】如圖1，光滑的平行導(dǎo)軌M、N固定在水平面上，放在導(dǎo)軌上的兩根導(dǎo)體棒a、b，跟導(dǎo)軌組成一個(gè)閉合回路;回路正上方有一條形磁鐵向下運(yùn)動(dòng)．則回路中感應(yīng)電流的方向和兩棒的運(yùn)動(dòng)情況是

A．有順時(shí)針?lè)较螂娏?/p>

B．有逆時(shí)針?lè)较螂娏?/p>

C．兩棒相互靠攏

D．兩棒相互遠(yuǎn)離

正確答案為A、C.

分析：該題可分為兩個(gè)過(guò)程．第一個(gè)過(guò)程磁鐵靠近回路，原磁場(chǎng)增強(qiáng)，產(chǎn)生順時(shí)針感應(yīng)電流．磁通增加是原因，產(chǎn)生感應(yīng)電流是結(jié)果，磁場(chǎng)能轉(zhuǎn)化為電能.第二個(gè)過(guò)程兩棒受磁鐵磁場(chǎng)的安培力而運(yùn)動(dòng)．產(chǎn)生安培力是原因，兩棒相互靠攏運(yùn)動(dòng)是結(jié)果，電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能．從能量角度來(lái)說(shuō)，全回路(包括兩導(dǎo)體棒和兩導(dǎo)軌)為“發(fā)電機(jī)”，同時(shí)兩導(dǎo)體棒又是“電動(dòng)機(jī)”，并以電動(dòng)機(jī)的身份表現(xiàn)出運(yùn)動(dòng)特征．全回路所產(chǎn)生的電能轉(zhuǎn)化為回路電阻上的內(nèi)能和兩導(dǎo)體棒上的機(jī)械能．若題中兩棒被固定，則全回路只表現(xiàn)為發(fā)電機(jī)，電能將全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能．

學(xué)生往往“優(yōu)先”考慮兩導(dǎo)體棒運(yùn)動(dòng)切割磁感線，把產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)與回路總電動(dòng)勢(shì)相混淆，并以反電動(dòng)勢(shì)的方向?yàn)楦袘?yīng)電流方向，因果關(guān)系顛倒，能量傳輸方向不明，得出相反的錯(cuò)誤結(jié)論．

原則二——看磁力作用:原磁場(chǎng)力為主，感應(yīng)場(chǎng)力為次

在例1中，根據(jù)楞次定律，“結(jié)果反抗原因”，無(wú)論磁鐵是N極插入還是S極插入，a、b兩棒阻礙磁通增大而相互靠攏，同時(shí)，又因?yàn)閮砂糁懈袘?yīng)電流的方向相反而有相互排拆力．原磁鐵的磁場(chǎng)比兩棒中感應(yīng)電流的磁場(chǎng)強(qiáng)度大得多，原磁場(chǎng)力比感應(yīng)電流之間磁場(chǎng)力大得多，因而兩導(dǎo)體棒最終表現(xiàn)為相互靠攏運(yùn)動(dòng)．

但是，在某些特定情況下，感應(yīng)電流的磁場(chǎng)力對(duì)所研究的問(wèn)題起決定作用而不能忽略．

圖2

【例2】1988年全國(guó)高考題(圖2):在水平放置的光滑絕緣桿ab上，掛有兩個(gè)金屬環(huán)M和N，兩環(huán)套在一個(gè)通電密繞長(zhǎng)螺線管的中部．螺線管中部區(qū)域的管外磁場(chǎng)可以忽略，當(dāng)變阻器的滑動(dòng)觸頭向左移動(dòng)時(shí)，兩環(huán)將怎樣運(yùn)動(dòng)？

A．兩環(huán)一起向左移動(dòng)

B．兩環(huán)一起向右移動(dòng)

C．兩環(huán)相互靠攏

D．兩環(huán)相互離開(kāi)

正確答案為C.

該題中的通電螺線管中部區(qū)域的管外磁場(chǎng)可以忽略，這是題設(shè)條件，則兩線圈感應(yīng)電流之間的作用力成為主要因素.無(wú)論R觸頭左移還是右移，兩線圈中都產(chǎn)生同方向感應(yīng)電流而吸引靠攏．此外，如果中間外部磁場(chǎng)不能忽略，原磁場(chǎng)也應(yīng)該是水平方向，只能使兩線圈產(chǎn)生沿半徑方向收縮力(R觸頭右移)或擴(kuò)張力(R觸頭左移)，沿水平桿運(yùn)動(dòng)效果完全由兩線圈自身的感應(yīng)電流的相互吸引力造成．

上述現(xiàn)象可用已熟知的力學(xué)模型類比．在力學(xué)中，分析某物體的受力情況時(shí)，一般只考慮重力、彈力和摩擦力，而忽略空氣對(duì)物體的浮力和該物體跟周圍其他物體之間的萬(wàn)有引力．但在分析氫氣球的運(yùn)動(dòng)時(shí)，必須考慮空氣對(duì)氫氣球的浮力；在分析卡文迪許扭秤實(shí)驗(yàn)時(shí)，裝置中兩球之間的萬(wàn)有引力產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)力矩，是本質(zhì)因素，不能忽略．

原則三——看感應(yīng)強(qiáng)弱:多匝線圈為主，單線回路為次

【例3】如圖3，帶鐵心的多匝線圈L1和L2相互靠近，并分別組成兩個(gè)閉合電路．當(dāng)開(kāi)關(guān)S閉合的瞬間，流過(guò)電流計(jì)的感應(yīng)電流方向是由____到____．

分析：多匝線圈中每匝線圈有同方向的電流，產(chǎn)生同方向的磁場(chǎng)，疊加后的總磁場(chǎng)比單線回路的磁場(chǎng)強(qiáng)得多，感應(yīng)效果最顯著．因此，物理學(xué)中把多匝線圈叫做電感元件．如果是帶鐵心的多匝線圈，感應(yīng)效果會(huì)更好．圖3中兩鐵心中的磁場(chǎng)方向?yàn)轫槙r(shí)針閉合磁感線方向，開(kāi)關(guān)S閉合時(shí)，電流從無(wú)到有增大，則L1中感應(yīng)電流的磁場(chǎng)方向與原磁場(chǎng)方向相反，所以感應(yīng)電流由a到b流過(guò)電流計(jì)．

圖3 圖4

在有多匝線圈的情況下，要以多匝線圈作為研究對(duì)象，忽略單線回路的電磁感應(yīng)效果；但是，如果只有單線回路，則單線回路的電磁感應(yīng)效果起決定作用而不能忽略．如圖4所示，開(kāi)關(guān)S閉合瞬間，因?yàn)橛疫吇芈分须娏鞯拇艌?chǎng)在左邊回路中方向垂直紙面向外且增強(qiáng)，左邊回路中必產(chǎn)生垂直紙面向里的感應(yīng)磁場(chǎng)，則流過(guò)電流計(jì)的感應(yīng)電流方向由b到a．

原則四——看整體效果:總磁通變?yōu)橹鳎植扛袘?yīng)為次

【例4】如圖5，矩形線圈abcd在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中從靜止開(kāi)始下落，線圈平面垂直于磁場(chǎng)方向．求線圈下落h高時(shí)的速度．

圖5 圖6

綜上所述，可見(jiàn)在研究較復(fù)雜的電磁感應(yīng)現(xiàn)象時(shí)，采用“四看四原則”是行之有效的，是建立理想化物理模型的重要依據(jù).要具體問(wèn)題具體分析，弄清主要因素和次要因素，必要時(shí)忽略次要因素，把握問(wèn)題的關(guān)鍵．還應(yīng)該注意到同一因素在一種情境下是次要因素，在另一種情境下可能是主要因素．抓主要因素建立物理模型，也是解決其他物理問(wèn)題的基本出發(fā)點(diǎn)．