法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)定律的幾個(gè)關(guān)鍵

原海川

（晉城職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 晉城 048026）

法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)定律的幾個(gè)關(guān)鍵

原海川

（晉城職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 晉城 048026）

觀察和實(shí)驗(yàn)會(huì)積累大量資料和豐富的知識(shí)，分析論證會(huì)使人的思維更加敏捷，思路更加靈活。正是由于法拉第一次次的實(shí)驗(yàn)，一遍遍的思考，才導(dǎo)致了發(fā)電機(jī)的產(chǎn)生，從而使人類(lèi)提前進(jìn)入了電的時(shí)代，電能才得以廣泛應(yīng)用。

思維；興趣；執(zhí)著；觀察；實(shí)驗(yàn)

19世紀(jì)初期，由于牛頓三大定律的誕生，使物理學(xué)的發(fā)展有了前所未有的進(jìn)步，而此時(shí)的電學(xué)和磁學(xué)研究還處于初級(jí)階段。直到1820年當(dāng)奧斯特發(fā)現(xiàn)了電流的磁效應(yīng)后，電學(xué)和磁學(xué)的研究才有了重大突破。但在當(dāng)時(shí)的物理學(xué)界，大多數(shù)學(xué)者認(rèn)為奧斯特的電流磁效應(yīng)就是電與磁的全部關(guān)系，幾乎沒(méi)有學(xué)者研究電與磁的相反效應(yīng)，即磁的電流效應(yīng)。直到法拉第有了新的發(fā)現(xiàn)為止，電與磁的關(guān)系才完整地呈現(xiàn)在人們面前。法拉第如何探索磁電流效應(yīng)，電磁感應(yīng)定律是怎樣被發(fā)現(xiàn)的，他成功的奧秘是什么？統(tǒng)觀法拉第探索磁效應(yīng)的全過(guò)程，我認(rèn)為有幾個(gè)重要環(huán)節(jié)值得關(guān)注：

一、獨(dú)特的思維方式是法拉第電磁感應(yīng)定律成功的基礎(chǔ)

法拉第獨(dú)特的思維方式是指：如果自然界存在某一現(xiàn)象，那么這一現(xiàn)象的映像或?qū)ΨQ(chēng)就一定會(huì)存在。正是由于這種對(duì)稱(chēng)和映像的存在，才使自然界的現(xiàn)象變得更加豐富、和諧。眾所周知，自然界中的對(duì)稱(chēng)多種多樣，其中物理學(xué)中的對(duì)稱(chēng)最為普遍。除常見(jiàn)的空間對(duì)稱(chēng)、時(shí)間對(duì)稱(chēng)、時(shí)間和空間同時(shí)對(duì)稱(chēng)外，還有入射角和反射角的對(duì)稱(chēng)、平面鏡成像中的像與物對(duì)稱(chēng)、電學(xué)中的正電荷與負(fù)電荷、磁學(xué)中的N極和S極、光學(xué)中的入射光與反射光及光路的可逆性等等。而拋體運(yùn)動(dòng)中物體上拋運(yùn)動(dòng)的時(shí)間和物體返回的時(shí)間相等，分子的熱運(yùn)動(dòng)中向分子各個(gè)方向的時(shí)間幾率相等，顯示出了它們的時(shí)間對(duì)稱(chēng)。簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)中單擺、彈簧振子的運(yùn)動(dòng)，在距平衡點(diǎn)相同距離任意兩側(cè)的點(diǎn)所受到的恢復(fù)力、速度、加速度的大小，方向相反相等，運(yùn)動(dòng)軌跡相似展示出了它們時(shí)間和空間的對(duì)稱(chēng)。

自然界不僅體現(xiàn)出對(duì)稱(chēng)性而且還體現(xiàn)出可逆性和互斥性，反映到大腦中就是異想思維和逆向思維，是人們反向思考的一種思維方式。通常，人們總是習(xí)慣于沿著事物發(fā)展的正方向思考，并積極尋找解決問(wèn)題的辦法。其實(shí)，對(duì)于一些特殊的問(wèn)題，反方向思考或許會(huì)更簡(jiǎn)單化。法拉第就是利用這些獨(dú)特的思維方式研究出了“磁可以產(chǎn)生電”。

法拉第最先利用電和磁的對(duì)稱(chēng)關(guān)系分析問(wèn)題是，他認(rèn)為電和磁是一對(duì)對(duì)稱(chēng)現(xiàn)象，奧斯特效應(yīng)只說(shuō)明了電和磁對(duì)稱(chēng)關(guān)系的一個(gè)方面，安培理論也只解決了奧斯特效應(yīng)沒(méi)有解決的一些問(wèn)題，是對(duì)奧斯特效應(yīng)的補(bǔ)充。至于磁與電對(duì)稱(chēng)的另一個(gè)方面即磁是否能產(chǎn)生電，他們兩個(gè)都沒(méi)有作進(jìn)一步的研究，這也成為法拉第后續(xù)的主攻目標(biāo)。法拉第認(rèn)為，利用對(duì)稱(chēng)思維這種方法分析“磁”是一定能夠生“電”的。為了解決磁究竟能否生電這個(gè)問(wèn)題，法拉第不斷向他的老師戴維求教，同時(shí)探討一些疑難問(wèn)題。因此，也形成了跟戴維一樣的風(fēng)格，即大膽質(zhì)疑勇于創(chuàng)新，敢于向權(quán)威發(fā)出挑戰(zhàn)。他對(duì)安培等人在條件不成熟時(shí)得出的結(jié)論持不贊同的態(tài)度，他認(rèn)為，越是簡(jiǎn)單的東西，越要接受實(shí)驗(yàn)的檢驗(yàn)，且不受任何理論的限制。法拉第就是這樣從實(shí)驗(yàn)事實(shí)出發(fā)，對(duì)安培的電動(dòng)學(xué)提出質(zhì)疑，否定了超距理論，證明了電場(chǎng)和磁場(chǎng)的存在及理論和實(shí)驗(yàn)依據(jù)，應(yīng)用對(duì)稱(chēng)和逆想的思維提出“磁”可生“電”的假設(shè)。

二、興趣和執(zhí)著是法拉第成功的階梯

1821年，法拉第在收集整理電磁學(xué)資料的過(guò)程中，對(duì)電磁學(xué)的研究產(chǎn)生了濃厚的興趣，繼而轉(zhuǎn)向電磁學(xué)研究。正是對(duì)奧斯特實(shí)驗(yàn)不厭其煩地研究，使他終于有了新的發(fā)現(xiàn)。他發(fā)現(xiàn)小磁針有繞導(dǎo)線做圓周轉(zhuǎn)動(dòng)的傾向，于是設(shè)計(jì)了一種自制裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)這種旋轉(zhuǎn)，法拉第稱(chēng)這種裝置為電磁旋轉(zhuǎn)器。

1824年，著名的阿喇果圓盤(pán)實(shí)驗(yàn)問(wèn)世，銅盤(pán)和磁針的聯(lián)動(dòng)現(xiàn)象大大激發(fā)了法拉第探索電磁學(xué)奧妙的熱情，他又一次投入到了“磁”生“電”的研究中。針對(duì)“磁”生“電”的現(xiàn)象，法拉第起初的想法很簡(jiǎn)單，認(rèn)為用強(qiáng)磁鐵靠近導(dǎo)線，導(dǎo)線中就會(huì)產(chǎn)生電流，或者在3根導(dǎo)線里的一根通上強(qiáng)大的電流，在靠近這個(gè)通電的導(dǎo)線中的兩根導(dǎo)線就會(huì)有電流產(chǎn)生?；谶@種想法，法拉第做了大量實(shí)驗(yàn)，結(jié)果都因失敗而告終。但是他沒(méi)有氣餒，沒(méi)有放棄，仍然堅(jiān)持自己的觀點(diǎn)。他不斷總結(jié)每次的實(shí)驗(yàn)教訓(xùn)，詳細(xì)分析失敗的原因，反復(fù)思考“磁”生“電”的途徑。直到1824年，當(dāng)時(shí)電磁學(xué)的發(fā)展取得了前所未有的進(jìn)步，再加上電磁鐵新技術(shù)的開(kāi)發(fā)和利用，法拉第又重新回到電磁學(xué)領(lǐng)域，開(kāi)始了他的第三個(gè)實(shí)驗(yàn)階段的研究。

1831年，法拉第通過(guò)3個(gè)實(shí)驗(yàn)揭示了電磁感應(yīng)現(xiàn)象的本質(zhì)。一是變壓器實(shí)驗(yàn)，揭示了變化的“電”可以產(chǎn)生變化的“磁”，變化的“磁”又可產(chǎn)生“電流”的本質(zhì)；二是螺線管實(shí)驗(yàn)，揭示了導(dǎo)體相對(duì)磁體運(yùn)動(dòng)可以產(chǎn)生電流；三是改進(jìn)的阿喇果銅盤(pán)實(shí)驗(yàn)，直觀揭示了導(dǎo)體做切割磁感線運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生電流的現(xiàn)象。法拉第就是通過(guò)以上這些實(shí)驗(yàn)，明確提出電磁感應(yīng)現(xiàn)象的產(chǎn)生是有條件的，即：磁場(chǎng)、磁通量發(fā)生變化、電路閉合。

正是由于法拉第對(duì)電磁現(xiàn)象的執(zhí)著追求，10年不間斷做著一次又一次實(shí)驗(yàn)，才一步更比一步接近真理并得到真理。這3個(gè)階段的實(shí)驗(yàn)研究為以后電磁感應(yīng)定律的誕生打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

三、觀察與思考是法拉第成功的關(guān)鍵

法拉第積極尋找“磁生電”方法，他把聯(lián)有電流計(jì)的導(dǎo)體放人磁場(chǎng)中，但電流計(jì)的指針不動(dòng)，說(shuō)明無(wú)電流產(chǎn)生（圖1）。是磁場(chǎng)太弱？導(dǎo)線的電阻太大，電流計(jì)不夠靈敏？于是更換更強(qiáng)的磁鐵和靈敏度更高的電流計(jì)，并檢查電路的接觸情況，結(jié)果指針都不動(dòng)，仍無(wú)電流產(chǎn)生。反復(fù)多次結(jié)果都一樣，法拉第陷入了猜想與假設(shè)。

圖1 磁生電的方法試驗(yàn)圖

如果以上“磁”生“電”的假設(shè)成立，那么在什么條件下“磁”才可能產(chǎn)生“電”？法拉第認(rèn)為，“電”能生“磁”只是電磁物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的一個(gè)方面，奧斯特實(shí)驗(yàn)中的電雖然是恒定的、不變的，但恒定、不變的電是由運(yùn)動(dòng)的電荷形成的。以上的“磁”生“電”實(shí)驗(yàn)只是把導(dǎo)體放在磁場(chǎng)中，磁并沒(méi)有在導(dǎo)體中發(fā)生運(yùn)動(dòng)，而相對(duì)靜止的磁是不會(huì)產(chǎn)生電的。

圖2 導(dǎo)體相對(duì)磁體運(yùn)動(dòng)可生電

如果讓磁體相對(duì)導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)，或讓磁有強(qiáng)有弱的變化，選定靈敏度高的電流計(jì)，那結(jié)果又如何？

于是法拉第改進(jìn)了實(shí)驗(yàn)裝置，重新設(shè)定了實(shí)驗(yàn)條件，檢查電路的接觸情況，又開(kāi)始了枯燥乏味的實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象1（圖2）：當(dāng)導(dǎo)體做切割磁感線運(yùn)動(dòng)時(shí)，電流計(jì)的指針就會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，線路中就會(huì)有電流產(chǎn)生。

圖3 導(dǎo)體相對(duì)磁體靜止不動(dòng)無(wú)電產(chǎn)生

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象2（圖3）：當(dāng)條形磁鐵插入螺線管，或從螺線管拔出時(shí)，右邊電流計(jì)的小磁針會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，而且指針偏轉(zhuǎn)的方向相反。當(dāng)條形磁鐵放入螺線管中（方法如右圖所示）靜止不動(dòng)時(shí)，電流計(jì)的小磁針靜止不動(dòng)，說(shuō)明無(wú)電流產(chǎn)生。

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象3（圖4）：當(dāng)電源開(kāi)關(guān)閉合、斷開(kāi)的瞬間，或移動(dòng)滑動(dòng)變阻器的滑動(dòng)觸頭，電流計(jì)的指針會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，即有電流產(chǎn)生。

圖4 磁通量變化可生電

法拉第仔細(xì)觀察以上實(shí)驗(yàn)并分析如下：閉合回路中之所以會(huì)有電流產(chǎn)生，一定是閉合電路中有了電源電動(dòng)勢(shì)，電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生的原因是由于磁通量發(fā)生變化而引起的。磁通量變化越快，指針偏轉(zhuǎn)越大，產(chǎn)生的電流越大，產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)就越大。在此基礎(chǔ)上，法拉第提出了自己的觀點(diǎn)：一是只有當(dāng)閉合回路的磁通量發(fā)生變化，閉合回路中才會(huì)有電動(dòng)勢(shì)和電流產(chǎn)生，產(chǎn)生的電流叫感應(yīng)電流，產(chǎn)生電流這種現(xiàn)象叫電磁感應(yīng)現(xiàn)象。二是產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小與磁通量的變化率成正比，即：E＝nΔφ/Δτ，即電磁感應(yīng)定律。

正是由于一次次的實(shí)驗(yàn)，一遍遍思考，經(jīng)過(guò)一系列肯定—否定—再否定—再肯定的過(guò)程，電磁感應(yīng)才會(huì)走出實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和日常生活的各個(gè)領(lǐng)域，才有了電的時(shí)代。

思路決定出路，獨(dú)特的思維方式是法拉第成功的起點(diǎn)，興趣和執(zhí)著是其成功的潤(rùn)滑劑，永無(wú)休止的實(shí)驗(yàn)是法拉第成功的關(guān)鍵，而分析和論證則更使他的一切努力發(fā)生質(zhì)的飛躍。分析法拉第的成功奧妙可以知道，觀察和實(shí)驗(yàn)會(huì)給我們積累大量資料和豐富的知識(shí)，分析論證會(huì)使人的思維更加敏捷，思路更加靈活。

［1］郭奕玲，沈慧君.物理學(xué)史［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2006.

［2］課程教材研究所，物理課程教材研究開(kāi)發(fā)中心.物理［M］.北京：人民教育出版社，2004.

［3］張瑞琨.物理學(xué)研究方法和藝術(shù)［M］.上海：上海人民教育出版社，2002.

Some Key Elements of Faraday’s Finding Law of Electromagnetic Induction

YUAN Hai-chuan
（Jincheng Institute of Technology，Jincheng，Shanxi 048026，China）

Observation and experiment can calculate plenty of materials and rich knowledge.Analysis and demonstration can make people’s thinking more active.It is just because of Faraday’s continuous experiments and thinking that led to the appearance of electric generator.

thinking；interest；persistence；observation；experiment

O44

A

1674-5078（2014）04-0087-03

10.3969/j.issn.1674-5078.2014.04.027

2014-04-20

原海川（1963-），女，山西晉城人，高級(jí)講師。主要研究方向?yàn)槲锢斫逃c應(yīng)用。