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    一个演示楞次定律的铝槽实验所引发的探究
    作者:刘剑锋    文章来源:本站    点击数:    更新时间:2006-11-15

    在广西师范大学科学教育研究所有一个“兴华科学探究乐园”,它是一个师生共建的科学实验探究基地,在对本所师生开放的同时,也欢迎大、中、小学师生来参观访问。在探究乐园里常可见痴迷于奇异的实验现象而不能自拔的探究者,我作为其中的一员又一次被其中一个演示楞次定律的铝槽实验所吸引了。

    一天,一位参观者拉着我来到一个做铝合金窗用的铝槽边上问我这是干什么用的。我把铝槽斜靠在桌边,拿起一个螺帽放在槽的上端,然后松手,螺帽迅速地沿着铝槽滑下去了,再换一个钮扣状的钕铁硼强磁铁重试一次,结果出人意料的是磁铁以比刚才慢得多的速度往下滑。当我介绍这是演示楞次定律的实验装置时,这位参观者感到很奇怪,他说:“这个铝槽又不是闭合的,怎么会有感应电流呢?”我一时无语,只好反问一句:“你怎么知道没有感应电流呢?”他说:“我在中学读书时老师演示过一个铝环实验(如图1所示),当时老师说用磁铁靠近或远离闭口铝环时铝环内产生了感应电流,这个电流与磁铁相互作用所以铝环就动了,当磁铁靠近或远离开口铝环时铝环内没有感应电流,所以开口铝环不会动,现在这个铝槽没有闭合回路,怎么会有感应电流呢?”

    参观者的话让我不禁沉思起来。这个铝环实验可以说是一个经典实验,它是高中物理教科书《楞次定律》一节中的一道习题,很多学校都配有这个实验的器材,老师的演示给每一个学生留下了深刻的印象,我的中学老师正是像参观者所解释的那样对我解释这个实验现象,而我也毫无异议地接受下来并继续向我的学生们介绍和解释这个实验。我是否太缺少怀疑精神呢?面对这个铝槽实验我开始怀疑了。

    要解释铝槽实验,最大的可能就是磁铁下滑时铝槽产生了感应电流,这个感应电流的磁场阻碍了磁铁的运动,磁铁才以较慢的速度下滑。而用螺帽做实验时没有感应电流产生,所以能迅速下滑。但是既然铝槽能产生感应电流,开口铝环就不能吗?我想应该是开口铝环中的感应电流太小了,以至于与磁铁的相互作用力太小,不能观察到现象罢了。但如何才能证明这个想法是正确的呢?以前是否有人发现过开口铝环运动的情况呢?怎样才能让开口铝环也产生明显的运动呢?我们今后对这个经典的铝环实验的教学是否应该做些改进呢?于是我开始了一个新的探究历程。

    一、前人的研究情况

    为了弄清以前是否有人发现过开口铝环运动的情况,我开始查阅资料,结果确实有人发现过这种现象,并且解释各不相同,这些观点概括起来有四种:

    1)空气流带动观点。在使用强磁性材料实验中发现,开口环不是纹丝不动,而是有轻微运动,但这种运动不明显,所以被有些老师归结为空气流的影响。

    2)闭口环带动观点[1]。这种观点认为,开口环内并未产生感应电流,只是当磁铁接近或离开开口环时,其磁场将漏入闭口环引起环内磁通量发生改变,从而环内产生感应电流,于是闭口环在磁场中受力发生转动而带动开口环转动。

    3)瞬间充放电观点. 该观点认为当磁铁向开口环接近时,开口环则处于变化磁场中,其中的自由电子在变化磁场产生的感应电场(涡旋电场)作用下向开口环的一侧作定向运动,从而产生瞬间电流,该电流在磁场的作用下将使开口环运动。

    4)涡电流观点。该观点认为,当磁铁接近或远离开口环时,将在开口环内产生涡电流,开口环的运动是由于涡电流在磁场中受力造成的[2]


    注释:

    [1] 杨昌虎.对楞次定律实验的析疑.实验教学与仪器,1997(12).

    [2] http://www.jshlzx.net/klh/1/zk16/text/zk16_229.htm

     

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