電磁感應(yīng)促現(xiàn)代科技進(jìn)步實(shí)例探究

■江大鹢

歷史長(zhǎng)流中，科技的進(jìn)步總是離不開理論知識(shí)的支撐，比如波意耳定律的提出支撐了蒸汽機(jī)的發(fā)明和改進(jìn)，通過(guò)做功可以將內(nèi)能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能的理論支撐了內(nèi)燃機(jī)的發(fā)明和改進(jìn)等。下面通過(guò)電磁感應(yīng)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)代科技進(jìn)步的促進(jìn)作用的探究，展現(xiàn)理論與實(shí)際相結(jié)合魅力，以期提高同學(xué)們對(duì)物理理論知識(shí)深入學(xué)習(xí)的興趣。

一、電磁感應(yīng)與現(xiàn)代科技的關(guān)聯(lián)

在哲學(xué)家康德提出的“各種自然現(xiàn)象之間相互聯(lián)系和相互轉(zhuǎn)化”思想的啟發(fā)下，奧斯特發(fā)現(xiàn)了電流的磁效應(yīng)，隨后法國(guó)物理學(xué)家安培、瑞士人科拉頓等都試圖通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究證明磁能生電，最終由法拉第在1831年8月29日通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象，至此開始了基于電磁感應(yīng)理論知識(shí)的現(xiàn)代化科技發(fā)展。目前，在生產(chǎn)、生活中出現(xiàn)的眾多先進(jìn)設(shè)備都離不開電磁感應(yīng)的理論基礎(chǔ)，比如各種發(fā)電裝置、電磁驅(qū)動(dòng)、電磁阻尼、傳感器等。

二、一道典型例題的探究

例題上海世博會(huì)某國(guó)家館內(nèi)，有一“自發(fā)電”地板，利用游人走過(guò)時(shí)踩踏地板發(fā)電，其原因是地板下有一發(fā)電裝置，如圖1 甲所示，裝置的主要結(jié)構(gòu)是一個(gè)截面半徑為r、匝數(shù)為n的線圈，無(wú)摩擦地套在磁場(chǎng)方向呈輻射狀的永久磁鐵槽中，磁場(chǎng)的磁感線沿半徑方向均勻分布，圖1 乙為橫截面俯視圖。輕質(zhì)地板四角各連接有一個(gè)勁度系數(shù)為k的復(fù)位彈簧(圖中只畫出了其中的兩個(gè))，輕質(zhì)硬桿P將地板與線圈連接，從而帶動(dòng)線圈上下往返運(yùn)動(dòng)(線圈不發(fā)生形變)，便能發(fā)電。若線圈所在位置磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B，線圈的總電阻為R0，現(xiàn)用它向一個(gè)電阻為R的小燈泡供電。為便于研究，將某人走過(guò)時(shí)對(duì)地板的壓力使線圈發(fā)生的位移x隨時(shí)間t變化的規(guī)律簡(jiǎn)化為如圖1 丙所示。(彈簧始終在彈性限度內(nèi)，取線圈初始位置x=0，豎直向下為位移的正方向)

圖1

(1)請(qǐng)?jiān)趫D1 丁所示坐標(biāo)系中畫出線圈中感應(yīng)電流i隨時(shí)間t變化的圖像，取圖乙中逆時(shí)針電流方向?yàn)檎较?，要求寫出相關(guān)的計(jì)算和判定的過(guò)程。

解析：(1)在0～t0內(nèi)電流方向?yàn)檎趖0～2t0內(nèi)電流方向?yàn)樨?fù)，在0～t0、t0～2t0內(nèi)線圈向下、向上運(yùn)動(dòng)的速率均為，產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大小均為E=nB·2πr·v，由歐姆定律得，解得。i-t圖像如圖2所示。

圖2

(2)在0～t0內(nèi)線圈所受安培力方向向上，且F安=nBI·2πr=時(shí)刻地板受到的壓力，解得。

啟發(fā)：同學(xué)們?cè)谇蠼馍婕皬?fù)雜物理情景的實(shí)際問(wèn)題時(shí)，需要具有清晰的分析思路、強(qiáng)大的建模能力和推理判斷能力等核心素養(yǎng)。另外，同學(xué)們不能只滿足于對(duì)一道題目的求解，還應(yīng)該反思如何做到發(fā)散思維，最終達(dá)到學(xué)以致用的目的。