能幫助學生掌握“楞次定律”的3種有效方法

李科敏 張 馨

(1. 湖南理工學院物理與電子科學學院,湖南 岳陽 414006; 2. 岳陽市第一中學,湖南 岳陽 414000)

1 引言

楞次定律是用來判定感應電流方向的規(guī)律,其內(nèi)容是:感應電流產(chǎn)生的磁場總是阻礙引起該感應電流的磁通量的變化．由于該定律是利用“感應電流產(chǎn)生的磁場”與“引起該感應電流的磁通量變化”的關系,來間接確定感應電流的方向,這使得該定律成為高中學生普遍難以理解和掌握的規(guī)律．但是,如果我們借助“慣性”的概念和“能量守恒定律”,采用能量守恒、或磁通量慣性、或距離慣性等方法,就可以有效地幫助學生掌握“楞次定律”的本質(zhì)．

2 預備知識

(1) 磁極之間具有相互作用力:同名磁極相互排斥,異名磁極相互吸引．

(2) 電流在它的周圍產(chǎn)生磁場,磁場的方向與引起該磁場的電流方向之間遵守安培定則．對于通電螺線管,其中電流的方向跟它的磁感線方向之間的關系,可以利用安培定則判定,具體做法是:右手握住螺線管,讓彎曲的四指所指的方向跟電流的方向一致,大拇指所指的方向就是螺線管內(nèi)部磁感線的方向．

(3) 能量守恒定律:能量既不會憑空產(chǎn)生,也不會憑空消失,它只能從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式,或者從一個物體轉(zhuǎn)移到另一個物體,在轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的過程中能量的總量保持不變．

(4) 慣性:一切物體都具有保持自己原來勻速直線運動狀態(tài)或者靜止狀態(tài)的屬性．或者說,慣性就是一切物體都具有試圖保持自己原有運動狀態(tài)不變的特性．如果我們把“慣性”向其他現(xiàn)象或者系統(tǒng)進行推廣,就可以得到在不同領域內(nèi)的“現(xiàn)象慣性”或者“系統(tǒng)慣性”規(guī)律,其內(nèi)容為:一切現(xiàn)象或者所有系統(tǒng)都具有試圖保持自己原有狀態(tài)或者屬性不變的特性．例如,在電磁振蕩中,線圈中的磁場和電容中的電荷都不會因為電路的突然通斷而發(fā)生突變,表現(xiàn)出“磁慣性”和“電慣性”．又如,人們經(jīng)常習慣于利用自己原有的情感、態(tài)度和觀點來觀察、對待和處理周圍的事物和問題,這種現(xiàn)象在心理學上叫做“心理定勢”,其本質(zhì)就是人們的心理行為具有“心理慣性”．

3 對“楞次定律”的理解

3.1 演示實驗

(1) 實驗裝置:如圖1所示,兩個分別可發(fā)紅光、綠光的二極管與線圈反向并聯(lián)(注意:二極管具有單向?qū)щ娦?,按鈕開關也與線圈并聯(lián)．如果開關斷開,兩個二極管與線圈并聯(lián);如果開關閉合,兩個二極管都被短路,線圈與開關所在的線路組成閉合回路．圖中的方塊是一個強磁鐵．

(2) 實驗1:斷開開關,二極管與線圈并聯(lián),見圖2．用強磁鐵的N極從線圈右端做快速靠近線圈的運動,觀察并記錄哪個二極管發(fā)光,再畫出在電路圖中線圈內(nèi)感應電流的方向．

接著,用強磁鐵的N極從線圈右端做快速遠離線圈的運動,觀察并記錄哪個二極管發(fā)光,再記錄在電路圖中線圈內(nèi)感應電流的方向．

(3) 實驗2:在實驗1的裝置底座下平行放置兩根用完的水筆芯,使裝置受力時可以運動．閉合開關,二極管被短路,線圈仍處于閉合狀態(tài),如圖3所示．用強磁鐵的N極從線圈右端做快速靠近線圈的運動,觀察并記錄線圈的運動方向,結(jié)合實驗1的結(jié)果記錄此時在電路圖中線圈內(nèi)感應電流的方向．

接著,用強磁鐵的N極從線圈右端做快速遠離線圈的運動, 觀察并記錄線圈的運動方向,結(jié)合實驗1的結(jié)果記錄此時在電路圖中線圈內(nèi)感應電流的方向．

圖2

圖3

3.2 用“能量守恒定律”理解楞次定律

無論圖1中的磁鐵做靠近還是遠離線圈的運動,線圈中都會產(chǎn)生感應電流和獲得電能,由“能量守恒定律”可知,該電能是由磁鐵在運動中克服阻力做功轉(zhuǎn)化而來的．即磁鐵在運動的過程中,一定受到一個與磁鐵運動方向相反的磁場阻力,根據(jù)該磁場阻力的方向是“背離”還是“指向”線圈,由此可確定磁鐵和線圈之間的磁場力是“排斥力”還是“吸引力”,再根據(jù)“同名磁極相斥、異名磁極相吸”的原理,可以確定線圈兩端的N極和S極,從而確定線圈中感應電流產(chǎn)生的磁場的方向,再利用安培定則就可以確定線圈中感應電流的方向．

例如,在實驗1中,可用“能量守恒定律”,按照以下步驟確定線圈中感應電流的方向:磁鐵的N極從線圈右端做靠近線圈的運動→在線圈中會獲得感應電流和電能,此時磁鐵一定受到一個與運動方向相反的磁場阻力→該電磁阻力的方向是背離線圈向右→磁鐵和線圈之間的磁場阻力屬于排斥力→線圈右端一定與磁鐵的N極是同名磁極→線圈中感應電流產(chǎn)生的磁場的方向是向右的→利用安培定則就可以確定線圈中感應電流的方向．將得到的結(jié)論與在實驗1中觀察和標記的結(jié)果進行對照,發(fā)現(xiàn)兩者是一致的．同時,也可以用“能量守恒定律”和楞次定律同時檢驗其他情形,發(fā)現(xiàn)結(jié)果都是相同的．可見,楞次定律的本質(zhì)與“能量守恒定律”是一致的．

3.3 用“磁通量慣性”理解楞次定律

認為“磁鐵”在運動的過程中,“線圈”中的磁通量總是試圖“借助自身感應電流的幫助”來保持其原來的大小不變,即線圈中的磁通量大小具有“磁通量慣性”．根據(jù)“磁鐵運動”引起“線圈中的磁通量的變化”和“線圈中的磁通量”具有“磁通量慣性”的特性,可判定線圈中感應電流產(chǎn)生的磁場方向與磁鐵對線圈產(chǎn)生的磁場方向是“相同”還是“相反”,從而確定“線圈中感應電流產(chǎn)生的磁場的方向”,再利用安培定則確定線圈中感應電流的方向．

例如,在實驗1中,可用“磁通量慣性”,按照以下步驟確定線圈中感應電流的方向:磁鐵的N極從線圈右端做靠近線圈的運動→磁鐵在線圈中引起的磁通量增加→ 由于“線圈中磁通量的大小”具有“磁通量慣性”,此時線圈中感應電流的磁場一定會“阻礙”或說“反抗”電磁鐵引起的線圈磁通量的增加,即線圈中感應電流產(chǎn)生的磁場方向與磁鐵對線圈產(chǎn)生的磁場方向是“相反的”→ 由此得出線圈中感應電流產(chǎn)生的磁場的方向是向右的→ 利用安培定則就可以確定線圈中感應電流的方向．將由此得到的結(jié)論與在實驗1中觀察和記錄得到的結(jié)果進行對照,發(fā)現(xiàn)兩者是一致的．同時,也可以用“磁通量慣性”和楞次定律同時檢驗其他情形,發(fā)現(xiàn)結(jié)果都是相同的．可見,“磁通量慣性”和楞次定律本質(zhì)上是一致的．

3.4 用“距離慣性”理解楞次定律

認為線圈中磁通量的增加或者減小,分別來源于某磁鐵靠近或者遠離線圈,從而導致“磁鐵和線圈之間的距離”縮小或者增大;但是,“磁鐵和線圈之間的距離”總是試圖“借助磁場力迫使線圈運動”來保持其原來的大小不變,即“磁鐵和線圈之間的距離”具有“距離慣性”,由此可判定線圈是試圖“遠離”還是“靠近”磁鐵,從而可確定“磁鐵”和“線圈”之間是“排斥力”還是“吸引力”;再根據(jù)“同名磁極相斥、異名磁極相吸”的原理,可以確定線圈兩端的N極和S極,即確定線圈中磁場的方向;再利用安培定律來確定線圈中感應電流的方向．

例如,在實驗2中,可按照以下步驟確定線圈中感應電流的方向:磁鐵的N極從線圈右端做靠近線圈的運動→磁鐵和線圈之間的距離縮短→由于“磁鐵”和“線圈”之間的距離具有“距離慣性”,此時線圈一定會試圖遠離磁鐵(目的是使得“磁鐵”和“線圈”之間的距離保持不變)→ 由“線圈遠離磁鐵”可以確定線圈與磁鐵之間的磁場力是排斥力→從而可以確定此時線圈右端一定與磁鐵的N極是同名磁極(即線圈右端此時一定是N極)→由此可以判定線圈中感應電流產(chǎn)生的磁場的方向是向右的→利用安培定則就可以確定線圈中感應電流的方向．將得到的結(jié)論與在實驗2中觀察和記錄得到的結(jié)果進行對照,發(fā)現(xiàn)兩者是一致的．同時,也可以用“距離慣性”和楞次定律同時檢驗其他情形,發(fā)現(xiàn)結(jié)果都是相同的．可見,“距離慣性””和楞次定律在本質(zhì)上也是一致的．

4 對“楞次定律”的應用

圖4

示例:如圖4所示,當滑動變阻器R的滑片向左滑動時,試用能量守恒、磁通量慣性、距離慣性等方法,確定流過負載R′的感應電流的方向．

解答:螺線管A通電后,其中的磁場方向是水平向右,其右端是N極;當滑動變阻器R的滑片向左滑動時,螺線管A中的電流增大,從而導致螺線管B中的磁通量增大．

4.1 用“能量的轉(zhuǎn)化和守恒定律”求解

螺線管B中的磁通量增大,相當于螺線管A做靠近螺線管B運動的情形→螺線管B獲得了感應電流和電能→螺線管A受到一個與運動方向相反的磁場阻力(即背離螺線管B的線圈向左)→螺線管A和螺線管B之間的磁場阻力是排斥力→ 螺線管B的左端是N極→利用安培定則就可以確定流過負載R′的感應電流的方向是從a流向b．

4.2 用“磁通量慣性”求解

螺線管B中的磁通量增大→由于“螺線管B中磁通量的大小”具有“磁通量慣性”,此時螺線管B中感應電流的磁場一定會“阻礙”螺線管B中磁通量的增加→螺線管B中感應電流產(chǎn)生的磁場方向與螺線管A對螺線管B的磁場方向是“相反的”→螺線管B中感應電流產(chǎn)生的磁場的方向是向左的→利用安培定則就可以確定流過負載R′的感應電流的方向是從a流向b．

4.3 用“距離慣性”求解

螺線管B中的磁通量增大,相當于螺線管A做靠近螺線管B的運動,即螺線管A和螺線管B之間的距離縮短→由于“螺線管B”和“螺線管A”之間的距離具有“距離慣性”→螺線管B具有遠離螺線管A的趨勢→螺線管B與螺線管A之間的磁場力是排斥力→螺線管B的左端一定與螺線管A右端是同名磁極(即為N極)→利用安培定則就可以確定流過負載R′的感應電流的方向是從a流向b．

4.4 用“楞次定律”求解

螺線管A中的電流增大,導致螺線管B中的磁通量增大→依照“楞次定律”的要求,螺線管B中感應電流產(chǎn)生的磁場會阻礙螺線管B中的磁通量增大→螺線管B中感應電流產(chǎn)生的磁場是向左的→利用安培定則就可以確定流過負載R′的感應電流的方向是從a流向b．

這些結(jié)果表明,能量守恒、磁通量慣性、距離慣性與“楞次定律”在本質(zhì)上是一致的．

5 總結(jié)與實踐

從上面的討論和應用的過程可以發(fā)現(xiàn),利用能量守恒定律、或者磁通量慣性、或者距離慣性來確定感應電流的方向,在本質(zhì)上都是要求“感應電流產(chǎn)生的磁場總是阻礙引起該感應電流的磁通量的變化”,這與“楞次定律”是相同的．可見,在判定感應電流的方向時,這四種方法是等價的,它們相互映襯、相互理解．因此,在教學中,我們可以采用能量守恒、磁通量慣性、距離慣性等3種方法,來幫助學生理解“楞次定律”的本質(zhì)內(nèi)容．這種做法,我們已經(jīng)進行了教學實踐,實踐結(jié)果表明,這種做法可以有效地幫助學生掌握“楞次定律”的本質(zhì)．