唯有躬行實驗 方得真知灼見
——例說一道浙江省高考題“電磁感應(yīng)實驗”的答疑過程

呂 蜂 趙和平

(1. 象山縣第三中學，浙江 寧波 315700； 2. 象山中學，浙江 寧波 315700)

物理是以實驗為基礎(chǔ)的學科．在一次高三復習課上,筆者讓學生嘗試一下2017年4月浙江省普通高校招生選考科目考試的第21題．其中第二小題如下.

圖1

用如圖1所示的裝置做“探究感應(yīng)電流方向的規(guī)律”實驗,磁體從靠近線圈的上方靜止下落．在磁體穿過整個線圈的過程中,傳感器顯示的電流i隨時間t的圖像應(yīng)該是

筆者在后續(xù)的答疑的過程中,引導學生上演現(xiàn)實版的“小馬過河”．筆者遵循學生認知規(guī)律,拋開“書中得來”不講,通過以下層層突入的4個環(huán)節(jié),用實驗方式解釋該實驗題．

1 課堂生疑,問其由

線圈、小磁鐵、測電流,判斷i-t圖像,在筆者看來這是道器材熟悉,情景易懂,難度不大的必得分實驗題,所以匆匆?guī)н^．課后,課代表跑來辦公室,篤定地反問:為什么不能選(D)?筆者壓下臉上的困惑,聽課代表細細道來.

(2) 課代表回憶到在新課“楞次定律”一節(jié)中,筆者以“小磁鐵在銅管中龜速下落”的反常趣味實驗作為引入．受此影響,學生將線圈等效成銅管,認為小磁鐵在穿入線圈后由于電磁感應(yīng)產(chǎn)生阻礙其下落的安培力,并且很快和重力平衡,使得小磁鐵馬上勻速下落．試想小磁鐵所處的狀態(tài)是穩(wěn)定平衡的,那么維持小磁鐵狀態(tài)的各物理量都應(yīng)不變,所以此時感應(yīng)電流有且保持不變,故選擇選項(D)．

這樣一分析,看來問題的癥結(jié)是課代表將“多匝線圈等效成銅管”．筆者認為物理上的假設(shè)是為了解釋物理現(xiàn)象,假設(shè)本身不存在對錯,只要能吻合特定現(xiàn)象能自圓其說，該假設(shè)在該情景下即為合理．基于這個觀點,要想否定一個假設(shè)需要用實驗駁斥.

2 糧草先行,利其器

2.1 實驗材料

亞克力板,亞克力合頁,亞克力玻璃棒,塑料軸承,粗細不同的銅管,PVC管,鱷魚夾,8 mm×7 mm(直徑×高度)圓柱形小磁鐵,漆包線,保護電阻,朗威微電流傳感器和數(shù)據(jù)采集器等．

2.2 制作傾角可調(diào)節(jié)斜面

取2根12×14×400 mm(內(nèi)徑×外徑×長度)的PVC管,在其中一根上繞制3匝等間距的漆包線,記為管1;在另一根上連續(xù)繞制無間隙漆包線,構(gòu)成螺線管,記為管2;取兩根12×16×400 mm的粗銅管,在其中一根上用線切割割出一條沿著中心線方向的細縫,記為管3;另一根不做任何處理,記為管5;取12×13×400 mm的細銅管,也不做處理,記為管4．

2.3 安裝(如圖2所示)

圖2

3 格物致知,探其本

3.1 多匝線圈=單匝線圈疊加

調(diào)節(jié)斜面至某一傾角固定,將小磁鐵從管1靜止釋放,測量線圈中的微電流如圖3所示．由于筆者設(shè)計實驗時3匝線圈間隔15 cm,而小磁鐵體積小磁性相對較弱,所以可近似認為小磁鐵每經(jīng)過一匝線圈時產(chǎn)生的感應(yīng)電流是單獨作用于該匝線圈的結(jié)果．圖3顯示共有3段類似波形,表示小磁鐵先后經(jīng)過3匝線圈時對應(yīng)的電流情況．乍一看,3段電流波形越來越緊密且其峰值和谷值均越來越大．筆者利用朗威軟件對圖像求積分,發(fā)現(xiàn)3段電流波形中所有的正向電流圖像和坐標軸圍城面積均為定值0.0114(×10-6C)，負向電流圖像亦是如此．

圖3

圖4

如果我們把線圈的間距縮小,反映到圖像上就是相鄰兩段波形會彼此靠近．再靠近呢,出現(xiàn)的結(jié)果可能就是前一段的負向電流和后一段的正向電流剛好抵消．基于上述邏輯推理，單匝線圈彼此靠近疊加成多匝線圈,單匝線圈彼此靠近電流會相互抵消．那么如果小磁鐵在無窮多緊密排列的線圈中滑下,我們以任意時刻下小磁鐵的南北極分界線為對稱軸,總能找到電流大小相同方向相反的一對線圈,例如圖4中的線圈1和2,3和4等等．按照這個邏輯,此時線圈回路中的電流因抵消而總為0．而實際情況下,實驗操作的并不是無窮多匝線圈,我們只能把小磁鐵在線圈中間區(qū)域的運動做上述近似處理,所以得到結(jié)論:小磁鐵在多匝線圈中滑下,運動到線圈中間區(qū)域時回路無電流．

對管2重復上述實驗步驟,如圖5所示,實驗結(jié)果和我們剛才的推理一致．值得一提的是,筆者借助“沖淡重力”思想基于斜面得到上述結(jié)論,但只要改變傾角,合理外推,實驗結(jié)論也應(yīng)該能契合豎直情形(選項(A)圖像和圖5的一致性證明了這點)．

圖5

3.2 多匝線圈≠銅管

回到學生的問題,為什么本題背景下不能把多匝線圈等效成銅管?調(diào)節(jié)斜面傾角為26°固定,將小磁鐵分別從管3,管4和管5靜止釋放,多次測量記錄其在管中平均運動時間t3=3.93 s，t4=1.98 s，t5=4.49 s(改變傾角,也能得到類似數(shù)據(jù))．管4和管5是完整的銅管,小磁鐵下滑必然引起渦流,這是共識．而t3>t4,說明小磁鐵在管3中下滑一定受到阻礙,細細想來罪魁禍首也只能是渦流產(chǎn)生的安培力,說明管3也有渦流，即便有縫．又因t5>t3,說明管5的渦流比管3的大．結(jié)合兩個對比可發(fā)現(xiàn)：

(1) 沿中心線方向切割處理只是破壞了繞中心線旋轉(zhuǎn)的渦流.(2) 完整銅管的渦流不僅僅只有繞中心線旋轉(zhuǎn)的渦流．

而假設(shè)線圈也做類似切割處理,回路中斷然不能產(chǎn)生電流，這說明銅管和線圈是有區(qū)別的．綜上,線圈中的電流方向確定即繞中心線旋轉(zhuǎn)而銅管的渦流可能朝空間各個方向均有分量,是不確定的．所以本題背景下,二者不能簡單等效．

4 事了拂身,回其味

實驗探究是高中物理核心素養(yǎng)中的重要一環(huán)．對于“線圈能不能等效成銅管”的問題,課代表能給出“貌似充分”的依據(jù),顯然是有經(jīng)過一番認真思考的．像這樣開放式的問題,如果只是泛泛而談會缺乏說服力,所以筆者力求實驗上的支持．立足痛點,對癥下藥,設(shè)計實驗,解決問題．

理論和實驗是物理學習并駕齊驅(qū)的兩條線．理論預測實驗,實驗檢驗理論．一個問題你總能找到一套正確的理論去解釋,你也能通過一個實驗去分析．本文中筆者先呈現(xiàn)把多匝線圈看成單匝線圈疊加的詳細過程,再揭示了等效成銅管的錯誤性,其間拋開理論不講,純粹用實驗的結(jié)果去解釋另一個實驗現(xiàn)象,契合文章主題．另外,本文中實驗得到的i-t圖像如圖3可從理論上分析諸如“等間距線圈得到的電流波形卻是越來越近”、“同是正向電流,第一段又矮又胖而第三段又高又瘦”等問題,這里不便展開．

巧用斜面．高考題描述的是小磁鐵在豎直方向落入線圈的情景,這樣可能存在值得商榷的兩個問題:(1) 加速度大,下落快,圖像特性不明顯;(2) 由于人為操作的因素,小磁鐵靜止釋放后難保證不發(fā)生扭動,進而影響實驗數(shù)據(jù)．基于以上問題,筆者設(shè)計斜面實驗,一來在不影響實驗結(jié)果的前提下沖淡重力,二來PVC管內(nèi)壁是圓弧面,小磁鐵是圓柱體,兩圓內(nèi)切,保證了小磁鐵平穩(wěn)下滑不扭動．