师:上节课我们学到了感应电流方向的规律——楞次定律。哪位同学能回顾一下楞次定律的内容?

  生:闭合回路中感应电流具有这样的方向,即感应电流的磁场总要阻碍引起感应电流的磁通量的变化。

  师:非常好。根据楞次定律,电磁感应现象中各物理量之间的逻辑关系如图 2 - 1 - 6 所示。闭合回路中磁通量 Φ 的变化是产生感应电流的原因。感应电流在空间中产生感应磁场,而感应磁场又表现为阻碍原磁通量的变化。这里要注意,阻碍并不是阻断,阻碍变化不等于没有变化。比如说,当引起感应电流的磁通量增加时,感应电流产生的磁场方向与原磁场方向相反,它只是阻碍了磁通量的增加,并非阻断磁通量增加。当回路中的磁通量不变时,回路中没有变化需要阻碍,此时无需新的感应磁场,也就不会产生感应电流。

  从能量的角度分析,感应电流的方向符合楞次定律,这是能量守恒定律的必然结果。由于回路中存在电阻,感应电流会产生内能。根据能量守恒定律,这部分内能只可能从其他形式的能量转化而来。在之前的探究实验中,当条形磁铁插入线圈时,根据楞次定律,条形磁铁会受到斥力,如图 2 - 1 - 7 所示。为使磁铁能继续插入线圈中,必须借助外力克服这个斥力对外做功。正是通过这部分功,将其他形式的能量,如磁铁的机械能转化为线圈中的电能,再转化为线圈和电流计中的内能。可见,楞次定律是能量守恒定律在电磁现象中的体现。

  那能否阻止磁通量变化呢?分析可知并不能阻止。我们知道磁通量的变化是引起感应电流的必要条件,如果阻止了磁通量不发生变化,那就没有感应电流产生。所以只能是阻碍,不能是阻止。楞次定律的关键词就是“阻碍”。只有深刻理解“阻碍”的含义,才能准确把握楞次定律的实质。是谁在阻碍呢?是感应电流的磁场阻碍引起感应电流的磁通量的变化。

  阻碍的是什么?阻碍的是磁通量的变化,而不是磁通量本身。如何阻碍呢?当闭合回路中磁通量增加时,感应电流的磁场方向与原磁场方向相反,感应电流的磁场阻碍原磁场的增加;当磁通量减少时,感应电流的磁场方向与原磁场方向相同,感应电流的磁场阻碍原磁通量的减少。简要概括就是“增反减同”。能否阻止?阻碍并不是阻止,只是延缓了磁通量的变化,这种变化仍将继续进行。为何阻碍?产生感应电流的过程必须遵守能量守恒定律,阻碍的作用就是把其他形式的能转化为感应电流所在回路中的电能。

  学习理解了楞次定律,我们来尝试用它解决问题。如图,a、b 都是很轻的铝环,环 a 是闭合的,环 b 是断开的。用磁铁的任意极去靠近 a 环会产生什么现象?把磁铁从 a 环移开会产生什么现象?磁极移近或远离闭环又会发生什么现象?请解释所发生的现象。我们先来看这个实验,大家仔细观察。

  (进行实验)

  实验中我们看到,一个环是闭合的,一个环是断开的。当磁铁在没有接触闭合环的情况下,靠近环并插入环中,可以观察到环有轻微晃动并向后退。磁铁在环中开始做远离环的运动时,环会向磁体靠拢。相同的操作在断开环中进行,断开环没有任何移动。这是为什么呢?

  生:根据楞次定律,当磁极靠近闭合环时,闭合环的磁通量增大,产生感应电流,且感应电流的磁场方向与原磁场方向相反,那么闭合环与磁极间表现为斥力,闭合环远离磁极。当磁极远离闭合环时,闭合环的磁通量减小,产生感应电流且感应电流的磁场方向与原磁场方向相同,闭合环与磁极间表现为引力,闭合环跟随磁极运动。而当磁极靠近或远离断开环时,虽然磁通量有发生变化,但是在断开环中无法产生感应电流,所以没有力的产生,断开环没有受到引力或斥力。

  师:非常好。从实验现象中我们可以看出,在由相对运动引起的电磁感应现象中,楞次定律表现为阻碍物体间的相对运动。从实验现象还能看出,因导体与磁体的相对运动引起导体回路磁通量变化的情况,感应电流与磁体间的相互作用总要阻碍相对运动。由此得出楞次定律的第二种理解,感应电流的效果总是阻碍导体和引起感应电流的磁体间的相对运动,简单概括就是“来拒去留”。

  我们来分析一下这个实验当中磁铁靠近或远离线圈时,线圈的受力情况。当 N 极向右靠近,线圈中磁通量增大,感应出相反的磁场,也就是向左的磁场,从左向右看产生逆时针电流。取线圈最高点和最低点,用左手定则判断通电导线在磁场中受安培力的方向,可得出线圈受到偏向右方的斥力,所以表现为“来拒”。

  当 N 极向左远离,线圈中磁通量减小,感应出相同的磁场,也就是向右的磁场。从左向右看产生顺时针电流。取线圈最高点和最低点,用左手定则判断通电导线在磁场中受安培力的方向,可得出线圈受到偏向左方的引力,所以表现为“去留”。“来拒去留”可以解释为:“来拒”,磁铁靠近线圈阻碍磁通量增大,表现为远离磁铁;“去留”,磁铁远离线圈阻碍磁通量减小,表现为靠近线圈。上节课最后我们还看了一个实验,关于一个木块和一个磁铁分别在铝管中下落的实验。

  有一块木块和一块磁铁,还有一根空心铝管,约一米长,竖直放置。木块和磁铁的直径都小于管道内径。当它们分别在铝管上方放入管口释放时,现象却不相同。我们看到释放后没有磁性的木块很快从管口下端出来,而磁铁下落很慢,过了许久才从管口下端出来。那是什么阻碍了磁体的下落呢?同学们,你能根据楞次定律分析这个现象吗?

  生:我们可以把铝管看成很多线圈叠在一起的效果。当磁铁运动,铝管中磁通量发生变化,进而产生感应电流,感应电流总要阻碍磁铁的相对运动,所以磁体下落得慢。

  师:非常好。通过这个实验,我们再来进一步理解楞次定律。这个过程中最后产生的效果总是在阻碍磁通量的变化,能否阻止呢?分析可知并不能阻止。我们知道磁通量的变化是引起感应电流的必要条件,如果阻止了磁通量不发生变化,则没有感应电流产生,所以不能是阻止,只能是阻碍。那为什么总是阻碍呢?这个问题有点难,我们可以反过来想一想,如果促进会有怎样的结果呢?

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《物理 选择性必修2 第2章 第一节 感应电流的方向 第2课时 逐字稿-4,782字 第5版》.docx
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