例談楞次定律中“阻礙”一詞的深度解瀆

鄭曄豪

楞次定律內(nèi)容的關(guān)鍵詞是“阻礙”二字，主要運(yùn)用于感應(yīng)電流方向的判斷。而在很多問題的處理中，“阻礙”二字還需進(jìn)一步解讀，以方便學(xué)生對(duì)相關(guān)問題的理解。本文借助于幾個(gè)典型例題及其講評(píng)，引導(dǎo)學(xué)生自主發(fā)現(xiàn)、總結(jié)出結(jié)論，并將自主分析的結(jié)果運(yùn)用到新的問題解決中去。

1阻礙原磁通變化——增縮減擴(kuò)

例題呈現(xiàn) 如圖1所示的M、N兩條光滑的導(dǎo)軌平行固定在水平面上，其上放有P、Q兩根平行的導(dǎo)體棒，它們構(gòu)成了一個(gè)閉合回路。現(xiàn)在有一條形磁鐵從上方逐漸接近該回路，P、Q兩根導(dǎo)體棒間的距離將____（選填“不變”、“增加”、“減小”）。

思路精析

初次引導(dǎo)學(xué)生解析本題時(shí)，教師應(yīng)該引導(dǎo)學(xué)生思考這樣的問題：P、Q為什么會(huì)出現(xiàn)距離上的調(diào)整？什么力促使了導(dǎo)體棒的運(yùn)動(dòng)？在這一情境中，條形磁鐵的接近導(dǎo)致下方回路中磁通量發(fā)生變化，進(jìn)而激起感應(yīng)電流，通電導(dǎo)體棒相應(yīng)地受到磁場安培力的影響，使其運(yùn)動(dòng)進(jìn)而發(fā)生距離上的調(diào)整，因此本題的處理流程如下：運(yùn)用楞次定律判斷電流方向，再利用左手定則判斷安培力方向，進(jìn)而鎖定答案。這樣的思路從問題的本質(zhì)出發(fā)，容易讓學(xué)生接受。但是本題的處理還需解決一些隱含問題，比如判斷感應(yīng)電流方向時(shí)，首先就要區(qū)分條形磁鐵到底哪一極向下呢？這里就必須進(jìn)行假設(shè)。假設(shè)Ⅳ極向下，判斷出感應(yīng)電流的方向，再將電流方向與磁場方向聯(lián)系，可得安培力是讓導(dǎo)體棒往內(nèi)側(cè)運(yùn)動(dòng)的；那么如果S極向下，給導(dǎo)體棒提供了與之前相反的磁場環(huán)境，則感應(yīng)電流方向相反，反向的電流在反向的磁場中所受安培力方向與之前情形一致，則導(dǎo)體棒間的距離仍然要減小。

結(jié)論歸納 相關(guān)思路理順之后，教師引導(dǎo)學(xué)生從結(jié)果來看這個(gè)問題，按照以下步驟來深化有關(guān)楞次定律的理解：①定性回顧磁通量大小的影響因素：線框面積和對(duì)應(yīng)區(qū)域的磁感應(yīng)強(qiáng)度B；②當(dāng)條形磁鐵和導(dǎo)體框架接近時(shí)，磁場對(duì)回路影響增強(qiáng)，即回路區(qū)域磁感應(yīng)強(qiáng)度B要增大，再從結(jié)果來看，P、Q兩導(dǎo)體棒靠近，導(dǎo)致面積怎么變？這樣變化對(duì)磁通量有什么影響？顯而易見，面積減小，這一變化有助于磁通量的減?。虎蹖?duì)比條形磁鐵的靠近和導(dǎo)體棒的收攏，二者在磁通量的關(guān)系上有什么關(guān)聯(lián)呢？導(dǎo)體棒的運(yùn)動(dòng)能從調(diào)整面積的角度阻礙磁通量的變化。以上內(nèi)容可以將“阻礙”一詞理解為四個(gè)字“增縮減擴(kuò)”。

拓展運(yùn)用

有一個(gè)硬質(zhì)矩形導(dǎo)線框abcd放在光滑的水平面上，現(xiàn)在將其一半放在豎直向下的勻強(qiáng)磁場中，如圖2所示為俯視圖，現(xiàn)在令該勻強(qiáng)磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)，問該導(dǎo)線框會(huì)朝哪一側(cè)運(yùn)動(dòng)？

解析 本題運(yùn)動(dòng)的根源還是在于安培力的作用，有ab、ad、bc都受到安培力的作用，從增縮減擴(kuò)這一結(jié)論來理解，三條邊的受力作用應(yīng)該使面積減小來反抗磁通量的增大。則上下兩條邊受力等大反向，就整體運(yùn)動(dòng)而言正好平衡，故框架運(yùn)動(dòng)主要取決于ab邊所受安培力，即向左。而向左的結(jié)果也是導(dǎo)致其處于磁場中面積減小和之前的結(jié)論一致。

2阻礙相對(duì)運(yùn)動(dòng)——來拒去留

例題呈現(xiàn) 如圖3所示，一個(gè)螺線管豎直放置，其上方一根條形磁鐵由靜止開始釋放，請(qǐng)討論條形磁體在接近和遠(yuǎn)離螺線管的過程中，它的加速度與重力加速度相比，其大小有何特點(diǎn)？

思路精析 本題的分析也要立足于加速度產(chǎn)生的本質(zhì)來進(jìn)行研究。因此需受力分析，條形磁鐵在運(yùn)動(dòng)的整個(gè)過程中都受到重力，此外就是因?yàn)闂l形磁鐵導(dǎo)致螺線管所處區(qū)域的磁通量發(fā)生變化，進(jìn)而發(fā)生電流，條形磁鐵與螺線管感應(yīng)電流之間的安培力會(huì)給條形磁體的運(yùn)動(dòng)帶來影響，故本題的處理思路如下：先通過楞次定律判斷螺線管中的感應(yīng)電流的磁場方向特點(diǎn)，進(jìn)而將螺線管類比為條形磁鐵，通過條形磁鐵和螺線管之間屬于同名磁極相對(duì)還是異名磁極相對(duì)，來判斷二者間的安培力屬于引力還是斥力，最后可判斷加速度的大小特點(diǎn)。本題判斷感應(yīng)電流的方向也存在難點(diǎn)，即條形磁體的磁極位置較為模糊，因此也要通過假設(shè)來進(jìn)行處理：假設(shè)條形磁鐵的N極向下，則在其向下靠近的過程中，感應(yīng)電流的磁場方向應(yīng)該向上，即螺線管所類比的條形磁鐵Ⅳ極向上，二者之間的安培力屬于斥力；如果條形磁鐵的Js極朝下，類似的分析亦可得二者間安培力仍為斥力。因此有結(jié)論，在接近的過程中，條形磁鐵除了重力之外，還有體現(xiàn)為阻力的安培力，則加速度小于重力加速度。當(dāng)條形磁鐵穿過螺線管之后，在其下方逐漸遠(yuǎn)離時(shí)，從楞次定律的角度來講，無論條形磁鐵的哪一極向上，都是磁通量在減少，則感應(yīng)電流的磁場方向與原磁場方向相同，則螺線管所等效的條形磁鐵與原磁體屬于異名磁極相對(duì)，二者相互吸引，對(duì)其遠(yuǎn)離過程而言仍屬于阻力，則加速度也是小于重力加速度的。

結(jié)論歸納 在這一問題中，條形磁體的運(yùn)動(dòng)引起了螺線管區(qū)域磁通量的變化，進(jìn)而激發(fā)感應(yīng)電流，而感應(yīng)電流與條形磁鐵之間的安培力給條形磁體的運(yùn)動(dòng)帶來什么影響？阻礙條形磁鐵的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，在描述時(shí)，教師可以形象化地指出：安培力視圖將彼此凍結(jié)在現(xiàn)有位置，以相對(duì)靜止的姿態(tài)阻礙螺線管區(qū)域磁通量的變化，相關(guān)結(jié)論與條形磁體的N極和S極的朝向無關(guān)，可以將結(jié)論濃縮為四個(gè)字“來拒去留”。

拓展應(yīng)用 如圖4所示，一導(dǎo)電圓環(huán)用輕繩懸掛，現(xiàn)在將條形磁鐵從左側(cè)向圓環(huán)推進(jìn)，則圓環(huán)會(huì)發(fā)生怎樣的運(yùn)動(dòng)？

A.向左移動(dòng) B.向右移動(dòng)

C.靜止不動(dòng) D.無法判斷

解析

本情境中感應(yīng)電流的出現(xiàn)，源于磁鐵的靠近導(dǎo)致線圈磁通量變大，因此從彼此間的安培力阻礙相對(duì)運(yùn)動(dòng)的角度來講，磁鐵受力向左，而線圈受力向右，則答案選擇B項(xiàng)。此外本題的處理與條形磁鐵的磁極所在沒有直接關(guān)系。

綜上所述，無論是“增縮減擴(kuò)”，還是“來拒去留”，本質(zhì)上還是磁場對(duì)感應(yīng)電流安培力所起到的效果一種簡化。實(shí)際教學(xué)中，教師在引導(dǎo)學(xué)生對(duì)此類問題進(jìn)行處理時(shí)，務(wù)必要讓學(xué)生知其然更須知其所以然，即既能通過深層次理解“阻礙”一詞快捷處理問題，也要能回溯本源，用最根本的思路來分析問題。只有如此，學(xué)生的相關(guān)認(rèn)知才能融會(huì)貫通。