邱會(huì)明徐思涌

(南京金陵中學(xué) 江蘇 南京 210005)

在人教版《物理·選修3-2》第三節(jié)“楞次定律”的問題與習(xí)題中，有一個(gè) “雙環(huán)實(shí)驗(yàn)”，如圖1所示．筆者利用課余時(shí)間對(duì)該實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，如果用普通磁鐵(10-2T量級(jí))進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，其結(jié)果與人教版《物理·選修3-2》教師用書的解答相符；如果改用強(qiáng)磁鐵(0.4～0.5T)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)， 對(duì)閉合的A環(huán)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果與解答相同，對(duì)有個(gè)缺口的B環(huán)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果與解答完全相反．筆者針對(duì)上述問題重新進(jìn)行了猜想、設(shè)計(jì)方案和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證等探究活動(dòng)，得出了制約“雙環(huán)實(shí)驗(yàn)”的兩個(gè)因素，最后對(duì)課本中的“雙環(huán)實(shí)驗(yàn)”提出了一點(diǎn)修改建議．

1 雙環(huán)實(shí)驗(yàn)的異常現(xiàn)象

1.1 雙環(huán)實(shí)驗(yàn)

圖1中的A和B都是鋁環(huán)，橫梁可以繞中間的支點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)．用磁鐵的任意一極接近A環(huán)，會(huì)產(chǎn)生什么現(xiàn)象？把磁鐵從A環(huán)移開，會(huì)產(chǎn)生什么現(xiàn)象？磁極移近或遠(yuǎn)離B環(huán)時(shí)，又會(huì)產(chǎn)生什么現(xiàn)象？解釋發(fā)生的現(xiàn)象．

圖1 雙環(huán)實(shí)驗(yàn)

1.2 雙環(huán)實(shí)驗(yàn)的異?，F(xiàn)象

雙環(huán)實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象：用磁感應(yīng)強(qiáng)度為10-2T量級(jí)的普通磁鐵的任一極(如S極)接近A環(huán)時(shí)，A環(huán)將遠(yuǎn)離磁鐵;當(dāng)磁鐵遠(yuǎn)離A環(huán)時(shí)，A環(huán)將靠近磁鐵．磁極靠近或遠(yuǎn)離B環(huán)時(shí)，B環(huán)不移動(dòng)．

雙環(huán)實(shí)驗(yàn)的異?，F(xiàn)象：用磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.4～0.5T的高強(qiáng)度磁鐵的任一極(如N極)靠近A，B環(huán)時(shí)，A，B環(huán)將遠(yuǎn)離磁鐵；當(dāng)磁鐵遠(yuǎn)離A，B環(huán)時(shí)，A，B環(huán)將靠近磁鐵．不過，斷開的B環(huán)遠(yuǎn)離和靠近的效果雖然比A環(huán)弱一些，但仍能清晰可見．根據(jù)楞次定律，由于B環(huán)是斷開的，無論磁極靠近或遠(yuǎn)離B環(huán)，都不會(huì)在B環(huán)中形成感應(yīng)電流，所以B環(huán)不移動(dòng)．可見，雙環(huán)實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)了異常現(xiàn)象．

2 猜想

2.1 猜想1

在磁鐵插入B環(huán)的過程中，由于磁性很強(qiáng)，且磁感線是閉合線，部分磁感線同時(shí)穿過了另一端閉合的A環(huán)，穿過A環(huán)中的磁通量發(fā)生變化，根據(jù)楞次定律，A環(huán)阻礙磁通量的變化而發(fā)生運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)支架與B環(huán)運(yùn)動(dòng)．

2.2 猜想2

磁鐵插入B環(huán)的過程中，B環(huán)中引起了短暫的充電電流，正是這個(gè)短暫的充電電流阻礙了B環(huán)與磁鐵的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，從而引起了B環(huán)的運(yùn)動(dòng)．

2.3 猜想3

在磁鐵插入B環(huán)的過程中，磁感線穿過了B環(huán)側(cè)壁，在側(cè)壁面產(chǎn)生了渦流，正是這些渦流阻礙了B環(huán)與磁鐵的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，從而引起了B環(huán)的運(yùn)動(dòng)．

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 驗(yàn)證1——等效法

實(shí)驗(yàn)方案：如圖2所示，把強(qiáng)磁鐵垂直于A，B環(huán)平面放置，并位于A環(huán)的左側(cè)，使得磁鐵和B環(huán)關(guān)于A環(huán)的中心大致對(duì)稱.讓高強(qiáng)度磁鐵垂直于A，B環(huán)的平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)．這樣，高強(qiáng)度磁鐵穿過A環(huán)中的磁通量發(fā)生變化的效果與猜想1相同，如果實(shí)驗(yàn)中B環(huán)運(yùn)動(dòng)，說明猜想1是正確的，反之亦成立．

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：多次實(shí)驗(yàn)表明，B環(huán)并沒有運(yùn)動(dòng)，說明猜想1是錯(cuò)誤的．

圖2 等效法的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.2 驗(yàn)證2——比較法

實(shí)驗(yàn)方案：如圖3所示，制作兩個(gè)有缺口鋁環(huán)，其中有一個(gè)缺口的環(huán)為B1、有兩個(gè)缺口的環(huán)為B2．在B1，B2的缺口處分別安裝一個(gè)彎曲成直角形“┛”的有機(jī)玻璃棒，在B2的另一個(gè)缺口用一小塊平面有機(jī)玻璃固定連接.如圖4所示，“┛”有機(jī)玻璃棒的短邊與缺口固定連接，長邊與鐵架臺(tái)固定．

圖3 彎成直角的缺口鋁環(huán)

圖4 比較法的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

把B1，B2缺口的兩端分別與靈敏電流計(jì)G1，G2相連.用高強(qiáng)度磁鐵分別插入B1和B2時(shí)，觀察G1，G2是否偏轉(zhuǎn)．由于B1與G1內(nèi)部形成一個(gè)閉合回路，磁鐵插入時(shí)，回路中產(chǎn)生感應(yīng)電流，G1偏轉(zhuǎn)．B2與G2沒有構(gòu)成閉合回路，磁鐵插入時(shí)，如果觀察到G2偏轉(zhuǎn)，說明B環(huán)中引起了短暫的充電電流；如果G2沒有偏轉(zhuǎn)，說明B環(huán)中無短暫的充電電流或電流很弱．通過觀察G1，G2是否偏轉(zhuǎn)，及比較G1，G2偏角的大小，就可以知道充電電流的強(qiáng)弱，從而可以猜判斷出猜想2的正確與否．

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：多次實(shí)驗(yàn)表明，G1偏轉(zhuǎn)，G2不偏轉(zhuǎn)，說明猜想2是錯(cuò)誤的．

3.3 驗(yàn)證3——排除法

實(shí)驗(yàn)方案：如圖5所示，用精加工的方法挖去B環(huán)的側(cè)壁面，以消減渦流的大?。捎贐環(huán)的重量減小了，因此帶來雙環(huán)的不平衡，在實(shí)際制件過程中，在B環(huán)缺口的對(duì)稱部位應(yīng)加上適當(dāng)?shù)呐浼?，以維持雙環(huán)的穩(wěn)定平衡．用高強(qiáng)度磁鐵插入或拔出圖5中的B環(huán)，如果B環(huán)不運(yùn)動(dòng)或運(yùn)動(dòng)效果減小，說明猜想3正確，反之亦成立．

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：多次實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)高強(qiáng)度磁鐵插入或拔出圖5中的B環(huán)時(shí)，B環(huán)沒有運(yùn)動(dòng)，說明猜想3是正確的．

圖5 排除法的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

4 對(duì)雙環(huán)實(shí)驗(yàn)的一點(diǎn)建議

通過上述的實(shí)驗(yàn)探究可以看出，制約雙環(huán)實(shí)驗(yàn)有兩個(gè)重要的因素：第一是鋁環(huán)的構(gòu)造；第二是磁鐵的強(qiáng)弱．用普通磁鐵做雙環(huán)實(shí)驗(yàn)時(shí)，鋁環(huán)通和斷的矛盾性凸顯出來；用高強(qiáng)度磁鐵做雙環(huán)實(shí)驗(yàn)時(shí)，鋁環(huán)側(cè)壁面積的大和小的矛盾性得以充分的體現(xiàn)．因此，在做雙環(huán)實(shí)驗(yàn)時(shí)，一定要考慮到鋁環(huán)的構(gòu)造和所用磁鐵的強(qiáng)度這兩個(gè)制約雙環(huán)實(shí)驗(yàn)的重要因素．這個(gè)實(shí)驗(yàn)的再探究使我們透過了“B(有個(gè)缺口)環(huán)運(yùn)動(dòng)”的現(xiàn)象，看到了“B環(huán)的側(cè)壁對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生影響”的本質(zhì)．課本中安排雙環(huán)實(shí)驗(yàn)的目的是得到“鋁環(huán)的通和斷影響鋁環(huán)的運(yùn)動(dòng)”的結(jié)論．筆者認(rèn)為，在雙環(huán)實(shí)驗(yàn)中，應(yīng)該加上“用普通磁鐵(為10-2T量級(jí))和細(xì)環(huán)”的條件，這樣“雙環(huán)實(shí)驗(yàn)”的現(xiàn)象才能與預(yù)設(shè)的結(jié)論相一致．

編后語

本文作者在教學(xué)中善于發(fā)現(xiàn)問題，深入思考，動(dòng)手做實(shí)驗(yàn)的做法值得提倡．希望能有更多的一線教師多做這方面的工作，教學(xué)搞得生氣蓬勃，學(xué)生學(xué)得靈活主動(dòng)，師生的聰明才智得以充分發(fā)揮，社會(huì)需要的人才就會(huì)源源不斷地涌現(xiàn)出來．