弄清電磁感應(yīng)相關(guān)問題的四原則

楊端清

(漢川市第一高級中學 湖北 漢川 431600)

在電磁感應(yīng)現(xiàn)象中，總是同時存在相互關(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、原磁場與感應(yīng)磁場、原磁場力與感應(yīng)磁場力、導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)電動勢與局部感應(yīng)電動勢等等．如何建立正確的物理模型進行分析，哪是主要因素？哪是次要因素？哪是原因？哪是結(jié)果？這些問題錯綜復(fù)雜，學生難以弄清．筆者在教學中總結(jié)出“四看四原則”，學生容易理解和具體操作．現(xiàn)結(jié)合實例分析說明．

原則一——看能量傳輸：引起原因為主，產(chǎn)生結(jié)果為次

圖1

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

A．有順時針方向電流

B．有逆時針方向電流

C．兩棒相互靠攏

D．兩棒相互遠離

正確答案為A、C.

分析：該題可分為兩個過程．第一個過程磁鐵靠近回路，原磁場增強，產(chǎn)生順時針感應(yīng)電流．磁通增加是原因，產(chǎn)生感應(yīng)電流是結(jié)果，磁場能轉(zhuǎn)化為電能.第二個過程兩棒受磁鐵磁場的安培力而運動．產(chǎn)生安培力是原因，兩棒相互靠攏運動是結(jié)果，電能轉(zhuǎn)化為機械能．從能量角度來說，全回路(包括兩導體棒和兩導軌)為“發(fā)電機”，同時兩導體棒又是“電動機”，并以電動機的身份表現(xiàn)出運動特征．全回路所產(chǎn)生的電能轉(zhuǎn)化為回路電阻上的內(nèi)能和兩導體棒上的機械能．若題中兩棒被固定，則全回路只表現(xiàn)為發(fā)電機，電能將全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能．

學生往往“優(yōu)先”考慮兩導體棒運動切割磁感線，把產(chǎn)生的反電動勢與回路總電動勢相混淆，并以反電動勢的方向為感應(yīng)電流方向，因果關(guān)系顛倒，能量傳輸方向不明，得出相反的錯誤結(jié)論．

原則二——看磁力作用:原磁場力為主，感應(yīng)場力為次

在例1中，根據(jù)楞次定律，“結(jié)果反抗原因”，無論磁鐵是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，又因為兩棒中感應(yīng)電流的方向相反而有相互排拆力．原磁鐵的磁場比兩棒中感應(yīng)電流的磁場強度大得多，原磁場力比感應(yīng)電流之間磁場力大得多，因而兩導體棒最終表現(xiàn)為相互靠攏運動．

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

圖2

【例2】1988年全國高考題(圖2):在水平放置的光滑絕緣桿ab上，掛有兩個金屬環(huán)M和N，兩環(huán)套在一個通電密繞長螺線管的中部．螺線管中部區(qū)域的管外磁場可以忽略，當變阻器的滑動觸頭向左移動時，兩環(huán)將怎樣運動？

A．兩環(huán)一起向左移動

B．兩環(huán)一起向右移動

C．兩環(huán)相互靠攏

D．兩環(huán)相互離開

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，如果中間外部磁場不能忽略，原磁場也應(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)或擴張力(R觸頭左移)，沿水平桿運動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模型類比．在力學中，分析某物體的受力情況時，一般只考慮重力、彈力和摩擦力，而忽略空氣對物體的浮力和該物體跟周圍其他物體之間的萬有引力．但在分析氫氣球的運動時，必須考慮空氣對氫氣球的浮力；在分析卡文迪許扭秤實驗時，裝置中兩球之間的萬有引力產(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，并分別組成兩個閉合電路．當開關(guān)S閉合的瞬間，流過電流計的感應(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，疊加后的總磁場比單線回路的磁場強得多，感應(yīng)效果最顯著．因此，物理學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)效果會更好．圖3中兩鐵心中的磁場方向為順時針閉合磁感線方向，開關(guān)S閉合時，電流從無到有增大，則L1中感應(yīng)電流的磁場方向與原磁場方向相反，所以感應(yīng)電流由a到b流過電流計．

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，開關(guān)S閉合瞬間，因為右邊回路中電流的磁場在左邊回路中方向垂直紙面向外且增強，左邊回路中必產(chǎn)生垂直紙面向里的感應(yīng)磁場，則流過電流計的感應(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在勻強磁場中從靜止開始下落，線圈平面垂直于磁場方向．求線圈下落h高時的速度．

圖5 圖6

綜上所述，可見在研究較復(fù)雜的電磁感應(yīng)現(xiàn)象時，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).要具體問題具體分析，弄清主要因素和次要因素，必要時忽略次要因素，把握問題的關(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題的基本出發(fā)點．