楞次定律教學(xué)初探

(江蘇省儀征市第二中學(xué)，江蘇 揚州 211400)

教科版教材選修3-2第一章第四節(jié)《楞次定律》是這樣安排的：首先，通過觀察思考，得出判斷導(dǎo)線做切割磁感線運動產(chǎn)生感應(yīng)電流方向的右手定則，在此基礎(chǔ)上，通過實驗探究總結(jié)得出導(dǎo)體沒有運動而由于磁場發(fā)生變化產(chǎn)生感應(yīng)電流的楞次定律；其次，通過討論交流對楞次定律中“阻礙”含義的理解，總結(jié)歸納出應(yīng)用楞次定律解決問題的一般步驟；再次，通過活動環(huán)節(jié)得出右手定則實質(zhì)是楞次定律的一種特例情況；最后，通過兩道例題加深鞏固對楞次定律的理解.教材安排科學(xué)合理，符合學(xué)生認知特點和水平，有利于培養(yǎng)學(xué)生觀察、發(fā)現(xiàn)和分析問題能力，有利于學(xué)生形成實事求是、尊重科學(xué)的態(tài)度.

楞次定律是電磁感應(yīng)這一章的重點和難點內(nèi)容之一，學(xué)生無論是理解楞次定律的內(nèi)容，還是運用楞次定律解題，都存在一定的困難.以下是筆者對楞次定律教學(xué)的一點思考，通過對楞次定律中“阻礙”含義的挖掘，以及對靈活運用楞次定律解題方法的歸納與總結(jié)，幫助學(xué)生加深對楞次定律概念的理解，提高學(xué)生解決楞次定律問題的效率和準確率，達到事半功倍的教學(xué)效果.

1 對楞次定律中“阻礙”的理解

1.1 “阻礙”的物理意義

對楞次定律內(nèi)容的理解，主要體現(xiàn)在對“阻礙”含義的理解.“阻礙”并非“阻止”.感應(yīng)電流的磁場只能阻礙原磁場磁通量的變化，原磁場磁通量最終仍然增加或減少.當原磁場磁通量增加時，感應(yīng)電流的磁場方向與原磁場方向相反，使得原磁場磁通量增加得慢一些；當原磁場磁通量減少時，感應(yīng)電流的磁場方向與原磁場方向相同，使得原磁場磁通量減少得慢一些.“阻礙”并非總是相反，“阻礙”中既有“抵消”(方向相反，原磁通量增加)，又有“補償”(方向相同，原磁通量減少)兩層含義.

1.2 “阻礙”的具體表現(xiàn)

(1)阻礙原磁通量的變化

這是楞次定律的實質(zhì)描述，課本已經(jīng)闡釋得很詳細、很全面，這里就不重復(fù)贅述.

(2)阻礙導(dǎo)體間相對運動

當發(fā)生電磁感應(yīng)現(xiàn)象時，原磁場與感應(yīng)電流磁場間會發(fā)生相互作用，根據(jù)楞次定律，這種相互作用結(jié)果表現(xiàn)為阻礙與這兩種磁場相對應(yīng)的導(dǎo)體間的相對運動.也正是通過克服這種阻礙作用做功，將其他形式的能轉(zhuǎn)變成電能.因而，從另一個角度看，楞次定律恰恰體現(xiàn)了能量的轉(zhuǎn)化和守恒規(guī)律.

圖1

例1 如圖1所示，粗糙水平桌面上有一質(zhì)量為m的銅質(zhì)矩形線圈ABCD.當一豎直放置的條形磁鐵從線圈中線OO′正上方等高快速經(jīng)過時，若線圈始終不動，關(guān)于線圈在水平方向運動趨勢的判斷，正確的是( ).

A．運動趨勢一直向左

B．運動趨勢一直向右

C．運動趨勢先向左后向右

D．運動趨勢先向右后向左

解析：當磁鐵從左邊進入線圈中線上方過程中，通過線圈磁通量增加.根據(jù)楞次定律，線圈中感應(yīng)電流磁場將阻礙原磁通量增加，即給磁鐵一個向左的排斥力，阻礙磁鐵靠近.根據(jù)牛頓第三定律，磁鐵將給線圈一個向右的作用力，所以線圈有向右運動的趨勢.當磁鐵從右邊離開線圈中線上方過程中，通過線圈磁通量減少.根據(jù)楞次定律，線圈中感應(yīng)電流磁場將阻礙原磁通量減少，即給磁鐵一個向左的吸引力，阻礙磁鐵遠離.根據(jù)牛頓第三定律，磁鐵將給線圈一個向右的作用力.所以線圈有向右運動的趨勢.本題正確選項為B.

例2 三個同樣的磁棒穿過三個紙筒落下.第一個紙筒沒有套閉合銅環(huán)，第二、第三個紙筒套有閉合銅環(huán)，并且第三個紙筒比第二個套的銅環(huán)匝數(shù)多.若磁棒通過圓筒的時間分別是T1、T2、T3，則有( ).

A.T1>T2>T3B.T3>T2>T1

C.T1=T2=T3D.T2>T3>T1

解析：第一個紙筒沒有套銅環(huán)，無感應(yīng)電流產(chǎn)生，因而無阻礙作用.第二、第三個紙筒由于套銅環(huán)，根據(jù)楞次定律，存在阻礙作用.由于第三個紙筒銅環(huán)個數(shù)多，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，阻礙作用最大，通過紙筒時間最長.本題正確選項為B.

(3)阻礙原電流的變化

在自感現(xiàn)象中，由于線圈中原電流發(fā)生變化，自感線圈中會產(chǎn)生自感電動勢(自感電流)，這個自感電動勢(自感電流)會阻礙原電流的變化.當原電流增加時，二者方向相反，阻礙原電流增加；當原電流減少時，二者方向相同，阻礙原電流減少.

例3 在如圖2所示的電路中，A1和A2是完全相同的兩只燈泡，線圈L的電阻可以忽略，下面說法中正確的是( ).

圖2

A．合上開關(guān)S接通電路時，A2先亮，A1后亮，最后一樣亮

B．合上開關(guān)S接通電路時，A1和A2始終一樣亮

C．斷開開關(guān)S切斷電路時，A2立刻熄滅，A1過一會才熄滅

D．斷開開關(guān)S切斷電路時，A1、A2都要延遲一會再熄滅

解析：合上開關(guān)S瞬間，通過線圈L中的電流從無到有，線圈中原電流增大，根據(jù)楞次定律，自感電流與原電流方向相反阻礙原電流增大，所以A2先亮，A1后亮，最后一樣亮；斷開開關(guān)S瞬間，通過線圈L中的電流從有到無，線圈中原電流減少，根據(jù)楞次定律，自感電流與原電流方向相同阻礙原電流減少，線圈L相當于電源給A1、A2供電，所以A1、A2都要延遲一會再熄滅.正確選項為A、D.

2 運用楞次定律結(jié)論進行解題

2.1 增反減同

增反減同有兩層含義，即原磁通量的“增反減同”或原電流的“增反減同”.原磁通量(原電流)增加時，感應(yīng)電流磁場(感應(yīng)電流)方向與原磁場(原電流)方向相反；原磁通量(原電流)減少時，感應(yīng)電流磁場(感應(yīng)電流)方向與原磁場(原電流)方向相同.

圖3

例4 如圖3所示，通電螺旋管(電流方向未知)左側(cè)懸掛一金屬圓線圈，兩者軸線重合.當螺線管中電流增大時，線圈運動(向左、向右)；當螺旋管中電流減小時，線圈運動(向左、向右).

解析：本題由于不知螺旋管中電流方向，因而原磁場方向不好確定，按楞次定律常規(guī)步驟解題不方便.但是，根據(jù)“增反減同”原理，當螺旋管中電流增強時，感應(yīng)電流磁場方向與原磁場方向相反，螺旋管右端與線圈左端極性始終相同，互相排斥；當螺旋管中電流減弱時，感應(yīng)電流磁場方向與原磁場方向相同，螺旋管右端與線圈左端極性始終相反，互相吸引.

2.2 增縮減擴

“增縮減擴”是對產(chǎn)生感應(yīng)電流線圈的面積變化而言的，因為磁通量的變化可以通過線圈面積的變化來完成.當通過線圈的磁通量增加時，可通過縮小線圈面積來阻礙磁通量的增加；當通過線圈的磁通量減少時，可通過擴大線圈面積來阻礙磁通量的減少.

圖4

例5 如圖4所示，一個松散的彈性閉合線圈，處于沿線圈軸向的勻強磁場中，當勻強磁場的磁感應(yīng)強度突然減小時，彈性線圈將( ).

A．軸向縮短，徑向擴大

B．軸向伸長，徑向擴大

C．軸向伸長，徑向縮小

D．軸向縮短，徑向縮小

解析：當勻強磁場的磁感應(yīng)強度突然減小時，穿過彈性線圈中磁通量將減少.根據(jù)“增縮減擴”原理，只有彈性線圈面積擴大，才能阻礙原磁通量減少.同時，由于每匝線圈中電流方向均相同，相互吸引，所以正確選項為A.

例6 如圖5所示，ab是一個可繞垂直于紙面的軸O轉(zhuǎn)動的閉合矩形導(dǎo)線框.當滑動變阻器的滑片P自左向右滑動時，從紙外向紙內(nèi)看，線框ab將( ).

圖5

A．保持靜止不動

B．逆時針轉(zhuǎn)動

C．順時針轉(zhuǎn)動

D．發(fā)生轉(zhuǎn)動，但電源極性不明，無法確定轉(zhuǎn)動方向

解析：本題中線圈面積變化是指線圈在磁場中垂直磁場方向投影面積變化.當線圈順時針旋轉(zhuǎn)時，投影面積增大，磁通量有增大趨勢；反之，磁通量有減少趨勢.當滑動變阻器的滑片P自左向右滑動時，電阻增大，電流減少，原磁通量減少.根據(jù)“增縮減擴”原理，應(yīng)增大投影面積，阻礙原磁通量減少，線圈應(yīng)順時針轉(zhuǎn)動.正確選項為C.

2.3 來拒去留

“來拒去留”是對產(chǎn)生電磁感應(yīng)現(xiàn)象的導(dǎo)體間發(fā)生相對運動而言的.當產(chǎn)生電磁感應(yīng)現(xiàn)象的兩個導(dǎo)體(或?qū)w與磁體)間互相靠近時，則相互排斥(拒絕)；當產(chǎn)生電磁感應(yīng)現(xiàn)象的兩個導(dǎo)體(或?qū)w與磁體)間互相遠離時，則相互吸引(挽留).

圖6

例7 如圖6所示，在水平絕緣桌面上放一閉合金屬圓線圈，當其上方有一條形磁鐵豎直向下運動時，下列說法中正確的是( ).

A．圓環(huán)對桌面的壓力減少，具有收縮的趨勢，電流方向為俯視順時針

B．圓環(huán)對桌面的壓力增大，具有收縮的趨勢，電流方向為俯視逆時針

C．圓環(huán)對桌面的壓力減少，具有擴張的趨勢，電流方向為俯視順時針

D．圓環(huán)對桌面的壓力增大，具有擴張的趨勢，電流方向為俯視逆時針

解析：本題按楞次定律常規(guī)步驟解題很不方便，且易出錯.根據(jù)“來拒去留”原理，磁體靠近互相排斥，圓環(huán)對桌面的壓力增大；根據(jù)“增縮減擴”原理，原磁通量增大，圓環(huán)具有收縮的趨勢，阻礙原磁通量增大；根據(jù)“增反減同”原理，圓環(huán)中線軸線磁場方向與原磁場方向相反，應(yīng)向上，根據(jù)安培定則，電流方向俯視逆時針.正確選項為B.

靈活運用楞次定律解題方法有多種，對于一些電磁感應(yīng)問題，根據(jù)楞次定律應(yīng)用電磁感應(yīng)中阻礙的效應(yīng)分析解決，十分簡捷，并且解題正確率高.在物理教學(xué)中，應(yīng)讓學(xué)生在理解楞次定律的基礎(chǔ)上掌握這些方法.

參考文獻：

李敬福.電磁感應(yīng)中阻礙的效應(yīng)及其應(yīng)用[J].中學(xué)物理教學(xué)參考，2014，(4).