論“磁通量變化是電磁感應(yīng)現(xiàn)象的決定條件嗎”

張宣貴

(攀枝花市教育科學(xué)研究所 四川 攀枝花 617000)

1 引言

《磁通量變化是電磁感應(yīng)現(xiàn)象的決定條件嗎》[1]一文針對(duì)本校的一單元考試題用兩種方法解答得出了不同的結(jié)論，從而對(duì)人教版高中《物理·選修3-2》有關(guān)電磁感應(yīng)的相關(guān)結(jié)論“只要穿過閉合回路的磁通量發(fā)生變化，閉合導(dǎo)體回路中就有感應(yīng)電流”提出質(zhì)凝，并進(jìn)一步舉例得出“磁通量變化但無(wú)電磁感應(yīng)現(xiàn)象”和“磁通量不變但有電磁感應(yīng)現(xiàn)象”兩種情況，從而得出結(jié)論：“磁通量變化并不是產(chǎn)生電磁感應(yīng)現(xiàn)象的充分必要條件”，指出教材通過幾個(gè)實(shí)驗(yàn)及事實(shí)得出的結(jié)論，“只要穿過閉合回路的磁通量發(fā)生變化，閉合導(dǎo)體回路中就有感應(yīng)電流”，不具普遍性，進(jìn)一步提出“法拉第電磁感應(yīng)定律也不具普遍性”這個(gè)具有挑戰(zhàn)性的問題，并以“圓盤發(fā)電機(jī)”為例進(jìn)行進(jìn)一步分析說(shuō)明，大有挑戰(zhàn)“法拉第電磁感應(yīng)定律”權(quán)威的味道.

筆者細(xì)讀此文后發(fā)現(xiàn)，二位作者引述的例題背景根本就不可能存在，對(duì)“圓盤發(fā)電機(jī)”的分析也是錯(cuò)誤的.現(xiàn)分析于后，供大家參考.

2 問題分析

我們先來(lái)看文獻(xiàn)[1]中所舉的例題：

圖1 題圖

文獻(xiàn)[1]的作者用兩種解法，得出兩個(gè)不同的結(jié)論.

解法2：線圈從圖示位置開始旋轉(zhuǎn)至53°過程中，線圈所有邊都沒有切割磁感線運(yùn)動(dòng)，故電動(dòng)勢(shì)為零.

兩種解法得出了兩個(gè)結(jié)論，作者進(jìn)一步分析指出,“電磁感應(yīng)現(xiàn)象的本質(zhì)取決于兩種情況：變化的磁場(chǎng)激發(fā)感生電場(chǎng)，使得自由電荷受到感生電場(chǎng)力(非靜電力)并對(duì)其做功；導(dǎo)體內(nèi)自由電荷由于運(yùn)動(dòng)受到洛倫茲力及分子間作用力共同作用，最終實(shí)現(xiàn)非靜電力對(duì)其做功”.作者用這一思路對(duì)上述例題進(jìn)行了分析，得出了相同的結(jié)論.于是作者進(jìn)一步提出“磁通量不變但有電磁感應(yīng)現(xiàn)象”，舉出下面的例子并分析.

如圖2所示，線圈平面與磁場(chǎng)平行，且一部分在勻強(qiáng)磁場(chǎng)外.當(dāng)整個(gè)線圈垂直磁場(chǎng)方向向紙里或向紙外運(yùn)動(dòng)時(shí)，穿過線圈的磁通量一直為零，即磁通量不變.但是AD邊顯然切割磁感線運(yùn)動(dòng)，會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，最終線圈ABCD產(chǎn)生感應(yīng)電流.

圖2 磁通量不變但有電磁感應(yīng)現(xiàn)象圖示

作者進(jìn)一步分析“圓盤發(fā)電機(jī)”也是“磁通量不變”而“有電磁感應(yīng)現(xiàn)象”的結(jié)論，進(jìn)而對(duì)法拉第電磁感應(yīng)定律的普遍性提出質(zhì)凝.

作者的上述分析看起來(lái)好像很有道理，其實(shí)用電磁感應(yīng)的普遍原理去分析，上述例題的背景是完全不存在的.

根據(jù)麥克思維方程組

·B=0

可以看出，磁場(chǎng)的散度為零，即不存在磁感線終止的情況.實(shí)際上，勻強(qiáng)磁場(chǎng)是一個(gè)理想化的模型，它可以在一個(gè)通電的無(wú)限長(zhǎng)直密繞螺線管內(nèi)部產(chǎn)生，這樣的話，勻強(qiáng)磁場(chǎng)的磁感線應(yīng)該是無(wú)限延長(zhǎng)的，任何線圈在磁場(chǎng)中都不會(huì)出現(xiàn)文獻(xiàn)[1]中兩個(gè)例題的磁場(chǎng)背景，因此該文的結(jié)論是完全錯(cuò)誤的.至于該文中關(guān)于“圓盤發(fā)電機(jī)”問題的分析，是將閉合回路選錯(cuò)，這里就不再分析了.

上述例題的背景只能是圖3所示的情況，即線圈只能在磁場(chǎng)中，兩例題所描述的線圈運(yùn)動(dòng)，不管用“磁通量變化”還是“導(dǎo)體切割磁感線運(yùn)動(dòng)”來(lái)分析，得出的結(jié)論都是一致的.實(shí)際上“導(dǎo)體切割磁感線運(yùn)動(dòng)”只是電磁感應(yīng)問題的一個(gè)特例，是學(xué)生學(xué)習(xí)磁通量概念前判斷電磁感應(yīng)的一種方法，自然應(yīng)該統(tǒng)一到法拉第電磁感應(yīng)定律中來(lái).

圖3 原題的實(shí)際情況

3 啟示

中學(xué)物理教學(xué)中我們經(jīng)常會(huì)編制一些試題.大多數(shù)情況下選取的物理情境都是教師編出來(lái)的，有時(shí)候就會(huì)編出如文獻(xiàn)[1]所出現(xiàn)的錯(cuò)誤背景，又不用理論物理的知識(shí)進(jìn)行分析，得出錯(cuò)誤結(jié)論，再教給學(xué)生，那就誤人子弟了.因此，我們?cè)诰幹圃囶}時(shí)，最好用物理的典型模型，或是典型模型的組合，或?qū)嶋H問題的簡(jiǎn)化模型.

教材中物理規(guī)律的文字表述，雖然只是在幾個(gè)例子后給出的，但規(guī)律本身是經(jīng)過物理學(xué)家長(zhǎng)期的實(shí)驗(yàn)總結(jié)出來(lái)的，應(yīng)該具有普遍性，當(dāng)然它有適用條件.我們?cè)诮虒W(xué)中如果出現(xiàn)與物理基本規(guī)律相矛盾的問題，不應(yīng)該輕易地去否定物理規(guī)律，而應(yīng)該用理論物理的知識(shí)去進(jìn)行正確的分析.因此，作為一位中學(xué)教師，教學(xué)一段時(shí)間后，再去讀讀大學(xué)物理是很有必要的，至少應(yīng)該去讀讀《普通物理》.

1 周恩煜，劉大明.磁通量變化是電磁感應(yīng)現(xiàn)象的決定條件嗎.教學(xué)考試·理論實(shí)踐,2017(3):17～19

2 郭碩鴻.電動(dòng)力學(xué).北京：人民教育出版社,1979.19～23