淺談楞次定律、慣性定律及勒沙特列原理中的“阻礙”

蔣海炳

人教版中楞次定律是這樣表述的：感應(yīng)電流具有這樣的方向，即感應(yīng)電流的磁場總是阻礙引起感應(yīng)電流的磁通量的變化。電磁感應(yīng)現(xiàn)象中的磁體具有保持原有狀態(tài)，阻礙磁通量變化的性質(zhì)，這不禁讓筆者想到了另外的兩條規(guī)律：慣性定律和勒沙特列原理。慣性定律是物理學(xué)中一個(gè)非?；镜亩桑址Q牛頓第一定律。其具體表述為：一切物體總保持勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)或靜止?fàn)顟B(tài)，除非作用在它上面的力迫使它改變這種狀態(tài)。可見，慣性定律更加直接地表達(dá)了物體具有維持原有狀態(tài)，阻礙狀態(tài)變化的性質(zhì)。勒沙特列原理：如果改變影響化學(xué)平衡的一個(gè)條件（濃度，溫度，壓強(qiáng)等），平衡就向減弱這種改變的方向移動(dòng)。這雖然是化學(xué)平衡中的原理，但是它同樣體現(xiàn)出了物體或者物體系統(tǒng)具有保持原有原狀，阻礙狀態(tài)改變這樣的性質(zhì)。那么，它們?nèi)叩摹白璧K”到底有哪些相同點(diǎn)和不同點(diǎn)呢？

一、相同點(diǎn)

1.阻礙的對(duì)象相同

楞次定律、慣性定律和勒沙特列原理三者均表達(dá)了物體（物體系統(tǒng)）具有保持原有狀態(tài)的性質(zhì)，都會(huì)對(duì)引起它們改變的外因起到阻礙的作用。它們阻礙的是“改變”。

對(duì)于慣性，人們都不陌生：如果不受外力，靜止的物體將永遠(yuǎn)保持靜止?fàn)顟B(tài)，運(yùn)動(dòng)的物體將會(huì)做勻速直線運(yùn)動(dòng)一直運(yùn)動(dòng)下去。說明物體自身具有阻礙運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變的本領(lǐng)。

楞次定律中的“阻礙”，是阻礙引起感應(yīng)電流的磁通量的變化。例如，穿過線圈原磁場方向向下（如圖1所示），并且磁鐵在向下運(yùn)動(dòng)，對(duì)于線圈來說，向下的磁通量在變大，這一變化使得線圈中產(chǎn)生了感應(yīng)電流，而感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場又反過來給向下運(yùn)動(dòng)的磁鐵一個(gè)向上的磁場力，阻礙它的繼續(xù)靠近，繼而阻礙線圈筒中磁通量的增加。

勒沙特列原理認(rèn)為，處于平衡狀態(tài)的化學(xué)反應(yīng)，如果改變了溫度、壓強(qiáng)、濃度等能夠影響反應(yīng)的其中一個(gè)條件時(shí)，化學(xué)反應(yīng)會(huì)向著減弱這個(gè)影響的方向進(jìn)行。通過平衡的移動(dòng)，來阻礙整個(gè)物體系統(tǒng)的狀態(tài)改變。比如，某個(gè)反應(yīng)是吸熱反應(yīng)，則升高溫度，反應(yīng)將向正方向進(jìn)行，我們可以理解成為，系統(tǒng)要升高溫度，則反應(yīng)平衡會(huì)向著吸收熱量的方向進(jìn)行，以阻礙系統(tǒng)溫度的升高；同理，如果降低溫度，則反應(yīng)平衡向反方向移動(dòng)，我們可以理解為，反應(yīng)系統(tǒng)溫度要降低，則反應(yīng)平衡會(huì)向著放出熱量的方向進(jìn)行，以阻礙系統(tǒng)溫度的降低。從這點(diǎn)看，勒沙特列原理也阻礙“變化”，跟慣性定律、楞次定律類似。

2.阻礙的結(jié)果相同

三條規(guī)律都講到了會(huì)對(duì)引起它們改變的外因起到阻礙作用，但是都只是阻礙，結(jié)果卻是阻而不止。

原本處于平衡狀態(tài)的物體，當(dāng)受到的合力不為零時(shí)，物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)就會(huì)發(fā)生變化，不會(huì)因?yàn)槲矬w有慣性而不發(fā)生改變。

在電磁感應(yīng)現(xiàn)象中，（如圖1）磁鐵在向下運(yùn)動(dòng)過程中，通過線圈的磁通量變大，由楞次定律可知，磁鐵會(huì)受到阻礙磁鐵向下運(yùn)動(dòng)的力，但是磁鐵還是會(huì)向下運(yùn)動(dòng)，向下的磁通量還是繼續(xù)增大。有阻礙的行為，但是阻礙的結(jié)果只是延緩了穿過這一過程，并沒有阻止住變化的發(fā)生。勒沙特列原理中阻礙的結(jié)果怎么樣呢？

例：密閉容器中可逆反應(yīng)：2SO2（g）+O2（g）？葑2SO3（g）達(dá)到平衡，當(dāng)向平衡體系中加入1mol O2的反應(yīng)物時(shí)，則該化學(xué)平衡如何移動(dòng)？

處于反應(yīng)平衡狀態(tài)下，加入反應(yīng)物O2之后，反應(yīng)物濃度增加，平衡必將向正方向進(jìn)行，以抵抗反應(yīng)物的增多，但是等反應(yīng)達(dá)到新的平衡之后，反應(yīng)物與生成物的濃度都變大了。當(dāng)然，O2濃度比未加入之前肯定要大。所以從結(jié)果看，與其他兩條規(guī)律相似，都采取阻礙的行動(dòng)，但最終還是逃不脫阻而不止的結(jié)果。

3.阻礙作用都與物體（物體系統(tǒng)）自身性質(zhì)有關(guān)系

在慣性定律中，欲使物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生改變，需要給物體以力的作用，在相同的作用力作用下，質(zhì)量大的物體加速度小，物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變來得慢，相反質(zhì)量小的物體得到的加速度反而大，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)容易改變。比如，外觀相同并以相同速度行駛的空載大客車和滿載大客車，急剎車之后滿載大客車滑行的距離要比空載大客車遠(yuǎn)，我們就知道了，滿載大客車的慣性比空載大客車要大。所以質(zhì)量越大的物體慣性越大，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)越不容易改變，物體的慣性大小僅與物體自身的質(zhì)量有關(guān)，而與其他因素?zé)o關(guān)。

但是楞次定律中沒有提及阻礙作用與磁體本身性質(zhì)之間存在什么關(guān)系。法拉第電磁感應(yīng)定律E=nΔФ/Δt，除了n表示線圈匝數(shù)以外，看不到與線圈自身屬性有關(guān)的信息。但在自感現(xiàn)象中，自感電動(dòng)勢E=LΔI/Δt，可以看出自感電動(dòng)勢的大小是跟自感系數(shù)L成正比的，而自感系數(shù)L則是由自感線圈本身的特性決定的，如線圈大小、線圈形狀、圈數(shù)等。自感系數(shù)L越大，自感線圈對(duì)電流改變的阻礙作用也就越強(qiáng)大，這種阻礙作用來源于物體自身，與慣性定律有一定的相似性。

在可逆反應(yīng)中，反應(yīng)進(jìn)行的程度與該化學(xué)反應(yīng)本身有關(guān)，對(duì)于可逆反應(yīng)來說，在一定溫度下，無論反應(yīng)物的起始濃度如何，反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)后，各生成物的物質(zhì)的量濃度乘積和反應(yīng)物的物質(zhì)的量濃度乘積的比值是個(gè)常數(shù)，此常數(shù)稱為該反應(yīng)的化學(xué)平衡常數(shù)。常數(shù)的值越大，說明反應(yīng)進(jìn)行得越完全。從這個(gè)方面看，勒沙特列原理的阻礙也是會(huì)受到化學(xué)反應(yīng)本身約束的，不同的化學(xué)反應(yīng)之間也不一樣，可以說，勒沙特列原理的“阻礙”是與化學(xué)反應(yīng)本身有關(guān)的。這一點(diǎn)也與慣性定律及楞次定律相似。

二、不同點(diǎn)

1.三條規(guī)律表述的側(cè)重點(diǎn)不同

慣性定律強(qiáng)調(diào)的是物體具有保持原有運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的性質(zhì)，強(qiáng)調(diào)的是運(yùn)動(dòng)狀態(tài)尚未改變之前。而楞次定律則是強(qiáng)調(diào)如果改變了會(huì)怎么樣，所以說是強(qiáng)調(diào)改變了之后會(huì)產(chǎn)生什么樣的后果，改變的后果會(huì)反過來阻礙此改變的繼續(xù)發(fā)生。勒沙特列原理所討論的也是當(dāng)反應(yīng)條件發(fā)生了改變之后，整個(gè)體系化學(xué)反應(yīng)平衡會(huì)怎么移動(dòng)，這個(gè)移動(dòng)的直接結(jié)果是阻礙了引起平衡移動(dòng)的反應(yīng)條件的改變。所以，楞次定律和勒沙特列原理所強(qiáng)調(diào)的都是當(dāng)狀態(tài)改變之后的后續(xù)變化。

2.三者都有阻礙作用，但產(chǎn)生阻礙的條件卻是不一樣的

慣性是物體的固有屬性，任何物體都有，物體在任何情況下都有，不會(huì)因?yàn)槲矬w有沒有受到外力而改變，也與物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)無關(guān)。所以物體的這種阻礙運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變的行為是無條件的。

在電磁感應(yīng)現(xiàn)象中，沒有磁通量的變化，或者導(dǎo)體與磁體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)（不切割磁感線）就不存在阻礙作用，只有當(dāng)穿過導(dǎo)體的磁通量發(fā)生變化了，物體系統(tǒng)才會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，以感應(yīng)電流的磁場來阻礙原磁場磁通量的變化。說明楞次定律的這個(gè)阻礙是有條件的。

同樣，處于化學(xué)平衡狀態(tài)的物體系統(tǒng)，如果不去改變反應(yīng)條件，化學(xué)平衡也不會(huì)移動(dòng)。只有當(dāng)外界對(duì)處于平衡狀態(tài)的系統(tǒng)進(jìn)行破壞，改變反應(yīng)的條件了，平衡才會(huì)移動(dòng)，直到達(dá)到新平衡。從這點(diǎn)看，與楞次定律相似。

3.楞次定律與勒沙特列原理都是對(duì)引起變化的原因進(jìn)行阻礙，但是所采取阻礙的方式不一樣

楞次定律的阻礙，是通過額外產(chǎn)生出感應(yīng)電流，再通過產(chǎn)生出的感應(yīng)電流的磁場來反作用于原磁場，進(jìn)而起到阻礙原磁場變化的作用。如果原來通過線圈的磁通量是向下的（如圖2），并且向下的磁通量在變大，為了阻礙其繼續(xù)變大，額外產(chǎn)生一個(gè)感應(yīng)電流，感應(yīng)電流的磁場方向與原磁場方向相反，反過來阻礙原磁通的變大。如果原來通過線圈的磁通量是向下的，并且向下的磁通量在減小，為了阻礙其繼續(xù)減小，線圈中同樣會(huì)產(chǎn)生出感應(yīng)電流，而感應(yīng)電流的磁場會(huì)和原來通過線圈的磁場同向，起到阻礙原磁通減少的作用。

勒沙特列原理同樣是阻礙變化，但是它采取的是通過平衡的移動(dòng)，例如，在一個(gè)處于平衡態(tài)的反應(yīng)中增加反應(yīng)物的濃度，平衡會(huì)向阻礙這種變化的方向發(fā)展，即向正方向進(jìn)行，反過來提取出一部分反應(yīng)物，使反應(yīng)物的濃度降低了，反應(yīng)同樣會(huì)向阻礙這一變化的方向進(jìn)行，即平衡會(huì)向逆反應(yīng)方向進(jìn)行。改變生成物濃度，或者改變溫度、壓強(qiáng)，平衡同樣會(huì)向著削弱這種改變的方向移動(dòng)，或者說平衡同樣會(huì)向著阻礙這種改變的方向移動(dòng)。

他山之石，可以攻玉。自然科學(xué)中的許多原理、定律都是相通的，物理學(xué)里邊的規(guī)律有時(shí)可以用來解釋化學(xué)、生物或其他學(xué)科中的現(xiàn)象，化學(xué)里的規(guī)律同樣可以啟發(fā)我們分析解決物理學(xué)問題。如果能夠?qū)ο嗨频囊?guī)律進(jìn)行比較教學(xué)，學(xué)生對(duì)這些規(guī)律、定理的理解必然會(huì)更加深刻，或許能夠得到意想不到的效果。

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編輯 薄躍華