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1833年,楞次在安培、法拉第等人对电磁研究的基础上,在“论动电感应引起的电流的方向”一文中提出了判断感应电流方向的楞次定律,结合后来法拉第提出的磁通量的概念,楞次定律可以表述为:感应电流的效果总是阻碍引起感应电流的原因.从不同的角度看,楞次定律可以有不同的表述.从磁通量角度看,可归纳为:感应电流的磁场方向总是阻碍引起感应电流的磁通量的变化;从安培力角度看,可归纳为:感应电流所受安培力的方向总是阻碍导体与磁场的相对运动.在很多参考资料上,往往总结为十二字口诀“增反减同,来拒去留,增缩减扩”.而笔者认为,其中不乏不足或欠妥之处,下面我们将透过物理现象,还原物理本质,揭示这十二字的奥秘!
1“增反减同”现象及其本质
“增反减同”指的是感应电流的磁场与原磁场方向的关系,其现象体现为感应电流的磁场阻碍原磁通量的变化:原磁通量增大,则感应电流的磁场与原磁场相反;原磁通量减小,则感应电流的磁场与原磁场相同.其本质为电磁感应现象中的能量守恒,假设感应电流的磁场使得原磁通量的变化得到加强,则感应电流会进一步增大,进而又使得原磁通量的变化进一步加强,如此循环,感应电流将会达到无穷大,违背了能量守恒原理.
例题1如图1所示,光滑金属框架OM与ON相交于O,处在竖直平面内,空间存在垂直纸面向里的匀强磁场,金属棒ab质量为m,从∠abO=65°的位置静止释放,在重力作用下紧贴金属框架滑动,棒由图示位置滑到处于水平位置的过程中,ab棒中感应电流的方向为
A.由a到bB.由b到a
C.先由a到b,再由b到aD.先由b到a,再由a到b
解析在下滑过程中,由数学知识:三角形abO面积先变大后变小,则穿过三角形abO的磁通量向里先变大后变小;由“增反减同”,感应电流的磁场先向外再向里;用安培定则知:ab棒中的电流先由b到a,再由a到b,故选D.
点评“增反减同”是从磁通量的角度分析的,它的本质是能量守恒,故应用时能快速体现“感应电流的效果总是阻碍引起感应电流的原因”这句话当中“阻碍”的结果,再结合安培定则,便很容易得出感应电流的方向.
例题2如图2所示,L是自感足够大的线圈,其直流电阻不计,D1、D2是完全相同的灯泡,若S闭合,等灯泡亮度稳定后,再断开S,问S闭合时与断开时两灯泡会出现的现象是
A.S闭合时,D1、D2同时亮
B.S闭合时,D2先亮,D1后亮
C.S断开时,D2立即熄灭,D1要亮一下再缓慢熄灭
D.S断开时,D2立即熄灭,D1不会熄灭
解析S闭合时,L中的电流要增大,感应电流将阻碍其增大,在这一瞬间,L相当于断路,故D1、D2同时亮,A对;稳定时,L相当于短路,D1不亮,D2亮;S断开时,L中的电流要减小,感应电流将阻碍其减小,此时L与D1形成闭合回路,电流逐渐减小,故D2立即熄灭,D1要亮一下再缓慢熄灭,C对.
点评“增反减同”是楞次定律从磁通量角度的总结,然而电流周围也会产生磁场,电流的变化即会导致磁场的变化,故“增反减同”也可理解为:感应电流的方向总是阻碍原电流的变化.即原电流增大,则感应电流方向与原电流方向相反;原电流减小,则感应电流方向与原电流方向相同.这在解决磁通量变化是由电流变化引起的问题中,也能加快解题速度.
2“来拒去留”现象及其本质
“来拒去留”指的是当导体(闭合回路)与磁场有相对运动时,两者之间的相互作用情况,其现象体现为:当两者相互靠近时,体现为斥力作用(来拒);当两者相互远离时,体现为引力作用(去留).其本质为发生电磁感应后,产生感应电流的导体在磁场中受到安培力的作用.然而此时产生感应电流的导体在怎样的磁场中就成为了关键.
例题3如图3所示,水平导轨MN和PQ相互平行,间距为L,垂直于导轨方向有水平的AB和CD两金属导体棒紧贴导轨,电阻均为R,空间存在磁感应强度为B的竖直向下的磁场,不计一切摩擦,当导体棒AB以某一速度v0向右運动时,试定性分析导体棒AB和CD的运动情况.
解析当AB棒向右切割磁感应线时,产生感应电动势,由右手定则,AB棒中电流由B到A,则CD棒中电流由C到D;再由左手定则,AB棒所受安培力向左,CD棒所受安培力向右;故AB棒向右减速运动,CD棒向右加速运动;当两者速度大小相等时,两棒产生的感应电动势相抵消,回路无感应电流,AB棒和CD棒不再受安培力,将一起做匀速直线运动.
变式1如图4所示,在例题3基础上,如OO′右侧无磁场,导体棒与OO′间足够长,试定性分析导体棒AB和CD的运动情况.
解析当AB棒向右切割磁感应线时,产生感应电动势,由右手定则,AB棒中电流由B到A,则CD棒中电流由C到D;再由左手定则,AB棒所受安培力向左,由于CD棒不在磁场中,CD棒不受安培力;故AB棒向右减速运动到速度为零,CD静止不动.
变式2如图5所示,在例题3基础上,如OO′右侧有竖直向上的磁场,导体棒与OO′间足够长,试定性分析导体棒AB和CD的运动情况.
解析当AB棒向右切割磁感应线时,产生感应电动势,由右手定则,AB棒中电流由B到A,则CD棒中电流由C到D;再由左手定则,AB棒所受安培力向左,由于CD棒所在磁场反向,CD棒所受安培力向左;故AB棒向右减速运动,CD棒向左加速运动;当两者速度大小相等时,两棒产生的感应电动势相抵消,回路无感应电流,AB棒和CD棒不再受安培力,AB棒将向右做匀速直线运动,CD棒将向左做匀速直线运动.
点评在例题3及变式1、2中,单从“来拒去留”这四个字,我们很容易认为AB棒靠近CD棒时,CD棒会向右运动,远离AB棒,而事实并非如此,这是为何呢?“来拒去留”只是电磁感应现象的动力学结果,其本质是由于电磁感应而产生感应电流的那部分导体或线圈(等效电源)处在磁场中而受到安培力导致的.因此“来拒去留”的对象应该是产生感应电流的那部分导体或线圈(等效电源)与磁场;它们之间的作用力体现为阻碍两者的相对运动.而往往解题者不究其本质,就会对“来拒去留”理解产生偏差. 3“增缩减扩”现象及其本质
“增缩减扩”指的是当穿过某一线圈(回路)的磁通量发生变化时,线圈(回路)通过面积的增缩以达到阻碍磁通量变化的效果,其现象体现为:当穿过某一线圈(回路)的磁通量增大时,面积缩小;当穿过某一线圈(回路)的磁通量减小时,面积扩大.其本质为发生电磁感应后,产生感应电流的那部分线圈(回路)在磁场中受到安培力的作用.那么产生感应电流的那部分线圈(回路)处在怎样的磁场便决定了线圈(回路)面积的增缩.
例题4如图6所示,线圈M水平放置,空间存在竖直向下的匀强磁场,磁感应强度为B,在B逐渐增大的过程中,试分析线圈M中的感应电流的方向及线圈M扩张还是收缩?
解析由楞次定律(“增反减同”)判断出M中感应电流的方向为逆时针;再由左手定则判断出线圈M各处电流所受安培力指向圆心,线圈M收缩;此时满足“增缩减扩”.
变式3如图7所示,在例题4的基础上,在线圈M内水平放置一线圈N,磁场仅在N内存在,忽略线圈间的相互作用,在B逐渐增大的过程中,试分析线圈M中的感应电流的方向及线圈M扩张还是收缩?
解析由楞次定律(“增反减同”)判断出M中感应电流的方向为逆时针;但由于线圈M未处在磁场中,故线圈M不受安培力,线圈M既不收缩,也不扩张;此时不满足“增缩减扩”.
变式4如图8所示,在例题4的基础上,在线圈M内水平放置一线圈N,N中通以顺时针方向电流I,忽略线圈间的相互作用,在I逐渐增大的过程中,试分析线圈M中的感应电流的方向及线圈M扩张还是收缩?
解析由安培定则:N内部磁场进去,外部磁场出来,如图9所示,穿过线圈M的磁通量以進去为主,则I增大时,通过线圈M的磁通量进去变大,由楞次定律(“增反减同”)判断出M中感应电流的方向为逆时针;但此时线圈M处在出来的磁场中,由左手定则判断出线圈M各处电流所受安培力背向圆心,线圈M扩张;此时不满足“增缩减扩”.
点评在例题4及变式3、4中,我们发现:当穿过线圈M的磁通量发生变化时,线圈M中产生了感应电流,但是并不一定满足“增缩减扩”,故解题时不能死记结论,而要究其本质,分析受力才行.
本文对电磁感应现象中的十二字口诀(“增反减同”、 “来拒去留”、 “增缩减扩”)作了简要分析和补充,我们不难发现:物理现象是迷人的,我们往往可以用一些简明扼要的语言加以概括总结,然而更耐人寻味的是物理的本质,对于规律的不同表达方式,我们要深入了解其本质,运用起来方能得心应手,不至于被物理现象所迷惑!
1“增反减同”现象及其本质
“增反减同”指的是感应电流的磁场与原磁场方向的关系,其现象体现为感应电流的磁场阻碍原磁通量的变化:原磁通量增大,则感应电流的磁场与原磁场相反;原磁通量减小,则感应电流的磁场与原磁场相同.其本质为电磁感应现象中的能量守恒,假设感应电流的磁场使得原磁通量的变化得到加强,则感应电流会进一步增大,进而又使得原磁通量的变化进一步加强,如此循环,感应电流将会达到无穷大,违背了能量守恒原理.
例题1如图1所示,光滑金属框架OM与ON相交于O,处在竖直平面内,空间存在垂直纸面向里的匀强磁场,金属棒ab质量为m,从∠abO=65°的位置静止释放,在重力作用下紧贴金属框架滑动,棒由图示位置滑到处于水平位置的过程中,ab棒中感应电流的方向为
A.由a到bB.由b到a
C.先由a到b,再由b到aD.先由b到a,再由a到b
解析在下滑过程中,由数学知识:三角形abO面积先变大后变小,则穿过三角形abO的磁通量向里先变大后变小;由“增反减同”,感应电流的磁场先向外再向里;用安培定则知:ab棒中的电流先由b到a,再由a到b,故选D.
点评“增反减同”是从磁通量的角度分析的,它的本质是能量守恒,故应用时能快速体现“感应电流的效果总是阻碍引起感应电流的原因”这句话当中“阻碍”的结果,再结合安培定则,便很容易得出感应电流的方向.
例题2如图2所示,L是自感足够大的线圈,其直流电阻不计,D1、D2是完全相同的灯泡,若S闭合,等灯泡亮度稳定后,再断开S,问S闭合时与断开时两灯泡会出现的现象是
A.S闭合时,D1、D2同时亮
B.S闭合时,D2先亮,D1后亮
C.S断开时,D2立即熄灭,D1要亮一下再缓慢熄灭
D.S断开时,D2立即熄灭,D1不会熄灭
解析S闭合时,L中的电流要增大,感应电流将阻碍其增大,在这一瞬间,L相当于断路,故D1、D2同时亮,A对;稳定时,L相当于短路,D1不亮,D2亮;S断开时,L中的电流要减小,感应电流将阻碍其减小,此时L与D1形成闭合回路,电流逐渐减小,故D2立即熄灭,D1要亮一下再缓慢熄灭,C对.
点评“增反减同”是楞次定律从磁通量角度的总结,然而电流周围也会产生磁场,电流的变化即会导致磁场的变化,故“增反减同”也可理解为:感应电流的方向总是阻碍原电流的变化.即原电流增大,则感应电流方向与原电流方向相反;原电流减小,则感应电流方向与原电流方向相同.这在解决磁通量变化是由电流变化引起的问题中,也能加快解题速度.
2“来拒去留”现象及其本质
“来拒去留”指的是当导体(闭合回路)与磁场有相对运动时,两者之间的相互作用情况,其现象体现为:当两者相互靠近时,体现为斥力作用(来拒);当两者相互远离时,体现为引力作用(去留).其本质为发生电磁感应后,产生感应电流的导体在磁场中受到安培力的作用.然而此时产生感应电流的导体在怎样的磁场中就成为了关键.
例题3如图3所示,水平导轨MN和PQ相互平行,间距为L,垂直于导轨方向有水平的AB和CD两金属导体棒紧贴导轨,电阻均为R,空间存在磁感应强度为B的竖直向下的磁场,不计一切摩擦,当导体棒AB以某一速度v0向右運动时,试定性分析导体棒AB和CD的运动情况.
解析当AB棒向右切割磁感应线时,产生感应电动势,由右手定则,AB棒中电流由B到A,则CD棒中电流由C到D;再由左手定则,AB棒所受安培力向左,CD棒所受安培力向右;故AB棒向右减速运动,CD棒向右加速运动;当两者速度大小相等时,两棒产生的感应电动势相抵消,回路无感应电流,AB棒和CD棒不再受安培力,将一起做匀速直线运动.
变式1如图4所示,在例题3基础上,如OO′右侧无磁场,导体棒与OO′间足够长,试定性分析导体棒AB和CD的运动情况.
解析当AB棒向右切割磁感应线时,产生感应电动势,由右手定则,AB棒中电流由B到A,则CD棒中电流由C到D;再由左手定则,AB棒所受安培力向左,由于CD棒不在磁场中,CD棒不受安培力;故AB棒向右减速运动到速度为零,CD静止不动.
变式2如图5所示,在例题3基础上,如OO′右侧有竖直向上的磁场,导体棒与OO′间足够长,试定性分析导体棒AB和CD的运动情况.
解析当AB棒向右切割磁感应线时,产生感应电动势,由右手定则,AB棒中电流由B到A,则CD棒中电流由C到D;再由左手定则,AB棒所受安培力向左,由于CD棒所在磁场反向,CD棒所受安培力向左;故AB棒向右减速运动,CD棒向左加速运动;当两者速度大小相等时,两棒产生的感应电动势相抵消,回路无感应电流,AB棒和CD棒不再受安培力,AB棒将向右做匀速直线运动,CD棒将向左做匀速直线运动.
点评在例题3及变式1、2中,单从“来拒去留”这四个字,我们很容易认为AB棒靠近CD棒时,CD棒会向右运动,远离AB棒,而事实并非如此,这是为何呢?“来拒去留”只是电磁感应现象的动力学结果,其本质是由于电磁感应而产生感应电流的那部分导体或线圈(等效电源)处在磁场中而受到安培力导致的.因此“来拒去留”的对象应该是产生感应电流的那部分导体或线圈(等效电源)与磁场;它们之间的作用力体现为阻碍两者的相对运动.而往往解题者不究其本质,就会对“来拒去留”理解产生偏差. 3“增缩减扩”现象及其本质
“增缩减扩”指的是当穿过某一线圈(回路)的磁通量发生变化时,线圈(回路)通过面积的增缩以达到阻碍磁通量变化的效果,其现象体现为:当穿过某一线圈(回路)的磁通量增大时,面积缩小;当穿过某一线圈(回路)的磁通量减小时,面积扩大.其本质为发生电磁感应后,产生感应电流的那部分线圈(回路)在磁场中受到安培力的作用.那么产生感应电流的那部分线圈(回路)处在怎样的磁场便决定了线圈(回路)面积的增缩.
例题4如图6所示,线圈M水平放置,空间存在竖直向下的匀强磁场,磁感应强度为B,在B逐渐增大的过程中,试分析线圈M中的感应电流的方向及线圈M扩张还是收缩?
解析由楞次定律(“增反减同”)判断出M中感应电流的方向为逆时针;再由左手定则判断出线圈M各处电流所受安培力指向圆心,线圈M收缩;此时满足“增缩减扩”.
变式3如图7所示,在例题4的基础上,在线圈M内水平放置一线圈N,磁场仅在N内存在,忽略线圈间的相互作用,在B逐渐增大的过程中,试分析线圈M中的感应电流的方向及线圈M扩张还是收缩?
解析由楞次定律(“增反减同”)判断出M中感应电流的方向为逆时针;但由于线圈M未处在磁场中,故线圈M不受安培力,线圈M既不收缩,也不扩张;此时不满足“增缩减扩”.
变式4如图8所示,在例题4的基础上,在线圈M内水平放置一线圈N,N中通以顺时针方向电流I,忽略线圈间的相互作用,在I逐渐增大的过程中,试分析线圈M中的感应电流的方向及线圈M扩张还是收缩?
解析由安培定则:N内部磁场进去,外部磁场出来,如图9所示,穿过线圈M的磁通量以進去为主,则I增大时,通过线圈M的磁通量进去变大,由楞次定律(“增反减同”)判断出M中感应电流的方向为逆时针;但此时线圈M处在出来的磁场中,由左手定则判断出线圈M各处电流所受安培力背向圆心,线圈M扩张;此时不满足“增缩减扩”.
点评在例题4及变式3、4中,我们发现:当穿过线圈M的磁通量发生变化时,线圈M中产生了感应电流,但是并不一定满足“增缩减扩”,故解题时不能死记结论,而要究其本质,分析受力才行.
本文对电磁感应现象中的十二字口诀(“增反减同”、 “来拒去留”、 “增缩减扩”)作了简要分析和补充,我们不难发现:物理现象是迷人的,我们往往可以用一些简明扼要的语言加以概括总结,然而更耐人寻味的是物理的本质,对于规律的不同表达方式,我们要深入了解其本质,运用起来方能得心应手,不至于被物理现象所迷惑!