正確理解楞次定律之“阻礙”

■甘肅省高臺縣第一中學(xué) 馬占寶

正確理解楞次定律之“阻礙”

■甘肅省高臺縣第一中學(xué) 馬占寶

1834年,楞次在概括了大量實(shí)驗(yàn)事實(shí)的基礎(chǔ)上,總結(jié)出了一條判斷感應(yīng)電流方向的規(guī)律,稱為楞次定律。楞次定律是電磁學(xué)中的一條最重要的定律之一,利用它,可以判斷出電磁感應(yīng)現(xiàn)象中感應(yīng)電流的方向。

一、同學(xué)們在學(xué)習(xí)楞次定律時,感覺難以理解和熟練應(yīng)用的三個主要原因

1.從靜到動的一個飛躍：同學(xué)們在學(xué)習(xí)“楞次定律”之前所學(xué)的電場和磁場只是局限于“靜態(tài)場”考慮,而楞次定律所涉及的是變化的磁場與感應(yīng)電流的磁場之間的相互關(guān)系,是一種“動態(tài)場”,顯然“靜到動”是一個大的飛躍,理解起來必定要感覺困難一些。

2.內(nèi)容、關(guān)系的復(fù)雜性：楞次定律涉及的物理量多,關(guān)系復(fù)雜。產(chǎn)生感應(yīng)電流的原磁場與感應(yīng)電流的磁場兩者都處于同一線圈中,且感應(yīng)電流的磁場總要阻礙原磁場的變化,它們之間既相互依賴又相互排斥。同學(xué)們?nèi)绻荒軌蛎鞔_各物理量之間的關(guān)系,勢必會感覺思路混亂,影響對該定律的理解。

3.同學(xué)們知識、能力的儲備不足：要想理解楞次定律必須具備一定的思維能力,而大多數(shù)同學(xué)的抽象思維和空間想象能力還不是很強(qiáng),對物理知識的理解、判斷、分析、推理常常表現(xiàn)出一定的主觀性、片面性和表面性,導(dǎo)致在某些問題的理解上容易出現(xiàn)差錯。

二、正確理解楞次定律的內(nèi)容及“阻礙”的含義

1.楞次定律的內(nèi)容：感應(yīng)電流具有這樣的方向,即感應(yīng)電流的磁場總要阻礙引起感應(yīng)電流的磁通量的變化。

2.對“阻礙”二字的理解：要正確全面地理解楞次定律必須從“阻礙”二字上下工夫,這里起“阻礙”作用的是“感應(yīng)電流的磁場”,它阻礙“原磁通量的變化”,不是阻礙原磁場,也不是阻礙原磁通量。不能認(rèn)為“感應(yīng)電流的磁場必然與原磁場的方向相反”或“感應(yīng)電流的方向必然與原電流的流向相反”。當(dāng)穿過閉合回路的磁通量增加時,感應(yīng)電流的磁場方向總是與原磁場的方向相反;當(dāng)穿過閉合回路的磁通量減小時,感應(yīng)電流的磁場方向總是與原磁場的方向相同。另外,“阻礙”不能理解為“阻止”,原磁場是主動的,感應(yīng)電流的磁場是被動的,原磁通量仍然要發(fā)生變化,是阻止不了的,感應(yīng)電流的磁場只是起阻礙作用而已。因此楞次定律也可以表述為：閉合回路中感應(yīng)電流的方向,總是使得它所激發(fā)的磁場來阻礙引起感應(yīng)電流的磁通量的變化。也可以簡練地表述為：感應(yīng)電流的效果,總是阻礙引起感應(yīng)電流的原因。

圖1

例1 如圖1所示,光滑的水平桌面上放著兩個完全相同的金屬環(huán)a和b,當(dāng)一條形磁體的S極豎直向下迅速靠近兩環(huán)中間時,則( )。

A.金屬環(huán)a、b靜止不動

B.金屬環(huán)a、b相對靠近

C.金屬環(huán)a、b相對遠(yuǎn)離

D.金屬環(huán)a、b向上跳起

解析：因?yàn)闂l形磁鐵向下運(yùn)動使得通過金屬環(huán)a、b的磁通量發(fā)生變化,所以金屬環(huán)a、b中將產(chǎn)生感應(yīng)電流,感應(yīng)電流與磁鐵間存在阻礙磁鐵與金屬環(huán)相互靠近的作用力,使得兩金屬環(huán)向遠(yuǎn)離磁鐵的方向運(yùn)動。答案為C。

點(diǎn)評：感應(yīng)電流的效果,總是阻礙引起感應(yīng)電流的原因。條形磁鐵向下運(yùn)動引起金屬環(huán)中的磁通量增加,兩金屬環(huán)唯有遠(yuǎn)離,才能阻礙其磁通量的增加。

3.弄清最基本的因果關(guān)系：感應(yīng)磁場與原磁場的磁通量變化之間是阻礙與被阻礙的關(guān)系,原磁場磁通量的變化是因,感應(yīng)電流的產(chǎn)生是果,原因引起結(jié)果,結(jié)果又反作用于原因,二者相互作用。

4.正確認(rèn)識楞次定律與能量轉(zhuǎn)化的關(guān)系：楞次定律是能量轉(zhuǎn)化和守恒定律在電磁運(yùn)動中的體現(xiàn),感應(yīng)電流的磁場阻礙引起感應(yīng)電流的原磁場的磁通量的變化,因此為了維持原磁場磁通量的變化,就必須存在動力的作用,這種動力克服感應(yīng)電流的磁場的阻礙作用做功,將其他形式的能轉(zhuǎn)變?yōu)楦袘?yīng)電流的電能。

5.多角度理解楞次定律：從反抗效果的角度來理解,感應(yīng)電流的效果總是要反抗產(chǎn)生感應(yīng)電流的原因,這是楞次定律的另一種表述。依這一表述,楞次定律可以推廣為：(1)阻礙原磁通量的變化,可以把原磁場與感應(yīng)電流的磁場方向之間的關(guān)系理解為“增反減同”;(2)阻礙(導(dǎo)體的)相對運(yùn)動(由導(dǎo)體相對磁場運(yùn)動引起感應(yīng)電流的情況),可以理解為“來拒去留”;(3)阻礙回路面積的變化(由磁場相對電路運(yùn)動引起感應(yīng)電流的情況),可以理解為“增縮減擴(kuò)”。

例2 (2016年高考上海卷)如圖2甲所示,螺線管內(nèi)有平行于軸線的外加勻強(qiáng)磁場,規(guī)定圖中箭頭所示方向?yàn)槠湔较颉Ｂ菥€管與導(dǎo)線框abcd相連,導(dǎo)線框內(nèi)有一小金屬圓環(huán)L,圓環(huán)與導(dǎo)線框在同一平面內(nèi)。當(dāng)螺線管內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B隨時間t按如圖2乙所示的規(guī)律變化時,則( )。

圖2

A.在t1～t2時間內(nèi),圓環(huán)有收縮的趨勢

B.在t2～t3時間內(nèi),圓環(huán)有擴(kuò)張的趨勢

C.在t2～t3時間內(nèi),圓環(huán)內(nèi)有沿逆時針方向的感應(yīng)電流

D.在t3～t4時間內(nèi),圓環(huán)內(nèi)有沿順時針方向的感應(yīng)電流

解析：應(yīng)用“增縮減擴(kuò)”可以迅速判定選項(xiàng)A正確;應(yīng)用“增反減同”可以迅速判定選項(xiàng)D正確。答案為A D。

點(diǎn)評：本題若應(yīng)用楞次定律一步一步地判斷,自然也是可以得出正確答案的,但比較耗費(fèi)時間。同學(xué)們?nèi)粽嬲斫饬死愦味?就可以輕松快速地解決此類問題了。

跟蹤訓(xùn)練

圖3

1.如圖3所示,光滑的金屬導(dǎo)軌A B、C D水平固定放置,兩根導(dǎo)體棒P Q、MN平放于互相平行的固定導(dǎo)軌上形成一個閉合回路。在一條形磁鐵從回路上方下落(未到達(dá)導(dǎo)軌平面)的過程中,導(dǎo)體棒P Q、MN的運(yùn)動情況是( )。

A.互相靠近

B.互相遠(yuǎn)離

C.均靜止

D.因磁鐵下落時的極性未知而無法判斷

圖4

2.如圖4甲所示,Ⅰ和Ⅱ是兩個平行共軸放置的環(huán)形線圈,當(dāng)線圈Ⅰ中的電流i1隨時間t變化的圖像如圖4乙所示時,若規(guī)定兩電流方向如圖4甲中箭頭所示的方向?yàn)檎较?則線圈Ⅱ中的電流i2隨時間變化的圖像是圖5中的( )。

圖5

參考答案：1.A 2.D

(責(zé)任編輯 張 巧)