質(zhì)疑電磁感應(yīng)中導(dǎo)體棒靠近與遠(yuǎn)離

筆者認(rèn)為人教版普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實驗教科書《物理》（選修3~2）第一章電磁感應(yīng)第三節(jié)“探究感應(yīng)電流的方向”中的第12頁第3題與網(wǎng)上、資料中流傳甚廣的相似問題，其結(jié)論導(dǎo)體棒究竟是靠近還是遠(yuǎn)離值得商榷.

題目：如圖1所示，光滑金屬導(dǎo)軌M、N固定在水平面上，兩根導(dǎo)體棒P、Q平行放于導(dǎo)軌形成一閉合回路，條形磁鐵從高處下落接近回路時，關(guān)于兩金屬棒的運動情況描述正確的是（ ）.

A.如果下端是N極，兩棒向外運動，如果下端是S極，兩棒相向靠近

B.如果下端是S極，兩棒向外運動，如果下端是N極，兩棒相向靠近

C.不管下端是何極性，兩棒均向外相互遠(yuǎn)離

D.不管下端是何極性，兩棒均相互靠近

答案為D.

錯解1：如圖2-1所示，根據(jù)楞次定律，磁鐵從圖示位置向下靠近導(dǎo)軌的運動中，回路的磁通量的增加.由Φ=BS可知，回路面積S的相應(yīng)變化應(yīng)該是阻礙磁通量的增加，所以不管磁鐵下端是何極性，兩棒均相互靠近，通過回路面積S的減小來阻礙回路磁通量的增加.

錯解2：忽略金屬棒內(nèi)反向電流之間的相互排斥力，無論磁鐵下端為何極，如圖2-2和2-3所示，根據(jù)楞次定律都可以判斷出回路中感應(yīng)電流的方向.由左手定則可知P、Q邊所受安培力的方向斜向下，指向回路的內(nèi)側(cè)，兩棒將互相靠攏.

錯解探究：錯解1的方法雖然簡潔，但是原題中并沒有標(biāo)明磁鐵產(chǎn)生的磁場穿過回路時的具體情況.磁鐵從圖示位置開始向下靠近導(dǎo)軌的運動中，穿過回路中的磁場方向有可能都向下（如圖2-1所示），也有可能磁感線多數(shù)向下，有一部分反向向上，穿過回路的合磁場方向向下（如圖3-1所示）.這樣導(dǎo)致回路面積S的減小和增加都能夠阻礙磁通量的增加.

錯解2的方法雖然比較煩瑣，但是針對磁鐵下端不同極性時產(chǎn)生的磁場方向，根據(jù)楞次定律和左手定則，通過明確磁場對金屬棒施加安培力的方向，來判斷出金屬棒的靠近與遠(yuǎn)離.如圖2-2、2-3、3-2和3-3所示，無論磁鐵下端是何極性，當(dāng)磁鐵從圖示位置向下開始靠近導(dǎo)軌時，兩棒所在處的磁場對兩棒施加安培力的方向有可能向下指向回路內(nèi)側(cè)或外側(cè)，所以兩棒既可能靠近也可能遠(yuǎn)離.

正確解法1：根據(jù)楞次定律，磁鐵從圖示位置開始向下靠近導(dǎo)軌的運動中，如圖2-1所示，當(dāng)穿過回路中的磁場方向都向下時，回路面積S的減小能夠阻礙磁通量的增加，即兩棒相互靠近.如圖3-1所示，當(dāng)磁鐵產(chǎn)生的磁場向下穿入回路的同時又有一部分反向向上穿回，向下和向上的磁場在回路中相互抵消，使得穿過回路的合磁力方向向下.隨著回路面積S的增加，回路中反向向上穿回起到抵消效果的磁感線增多，同樣阻礙了穿過回路的磁通量的增加，即兩棒相互遠(yuǎn)離.

正確解法2：忽略金屬棒內(nèi)反向電流之間的相互排斥力，當(dāng)磁鐵從圖示位置向下開始靠近導(dǎo)軌時，無論磁鐵下端為何極性，如圖2-2和2-3所示，根據(jù)楞次定律可以判斷出回路中感應(yīng)電流的方向.由左手定則可知P、Q邊所受安培力的方向斜向下，指向回路的內(nèi)側(cè)，使得兩棒將互相靠攏.同理如圖3-2和3-3所示，兩棒所在處的磁場施加的安培力方向斜向下，指向回路的外側(cè).在安培力的作用下兩棒將互相遠(yuǎn)離.

另外，此題常見的一種變化是將水平光滑的導(dǎo)軌和兩棒組成的回路，換成一個水平放置光滑的金屬圓環(huán)，圓柱形磁鐵的軸線與環(huán)面的中軸線重合.如圖4-1、4-2所示，有可能出現(xiàn)磁鐵豎直向下靠近導(dǎo)軌運動的初始時刻，金屬環(huán)所在處的磁感線與回路恰好相切.由楞次定律和左手定則可知，此時由于電流和磁場方向垂直，回路所受安培力的方向垂直回路的水平面豎直向下.當(dāng)二者靠近后電流所在處的磁場方向變成斜向上并指向外側(cè)，如圖3-2，回路有擴(kuò)張的趨勢.或者如圖4-3所示回路在安培力的作用下有收縮的趨勢.

總之，如果不確定磁鐵在回路周圍產(chǎn)生的磁場方向，此類型題的最終結(jié)論是：不管下端是何極性，兩棒既有可能相互靠近，又有可能相互遠(yuǎn)離，則原題無正確答案.正由于磁鐵周圍的磁感線過于復(fù)雜，針對此問題更多的考查只是限定到能判斷出感應(yīng)電流的方向就可以，或者如圖4所示，研究磁單極穿過回路時的情況，排除因反向穿回的磁感線位置的不確定導(dǎo)致的干擾.

（作者單位：同江市第1中學(xué)）