一个演示楞次定律的铝槽实验所引发的探究

 兴华传媒~谢真莲  实验

原作者:刘剑锋    更新时间:2006-11-15

原文链接:http://se.risechina.org/tjhd/tjgs/200611/342.html

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]

二、探究开口铝环产生明显运动的方法及运动的原因

不管前人有些什么研究结果,我想我首先得看到在磁铁接近或离开开口环时开口环真的发生了运动,不然一切都别谈了。我先询问了兴华探究乐园的实验员李为模老师是否有这套楞次定律演示仪,他说没有,但有人曾把直径约2cm的铝管锯出两个铝环来做实验,发现开口的那个铝环也确实会动起来,并找出其中一个闭口铝环给我。我将其锯出一个缺口,变成一个开口环,然后用细线吊起来(如图2所示),因为用普通磁铁做实验根本看不到现象,所以我将几个钮扣状钕铁硼磁铁合在一起形成一个磁性较强的磁铁,为便于用手拿,我将磁铁吸附在一根小铁棍的一端,当我满怀期待地将小铁棍伸向铝环时,却发现铝环几乎是一动不动,难道真的没有感应电流产生?我有些绝望了,如果连现象都看不到,还谈什么解释呢。

这时李老师提醒我,是不是你移动的速度不够快。于是李老师和我一起把一些木块垫起来,将小铁棍放在上面,然后对准铝环中心猛地一伸,果真,我发现铝环动了,我终于成功地迈出了第一步。

虽然成功了,但开口铝环运动不很明显,如何才能让它运动得更明显呢?而且这个铝环直径很小,很容易让人误以为是磁铁碰到铝环才使铝环动起来的。不解决这些问题就没有足够的理由去说服别人相信这不是碰撞或空气流动的影响。而且有些地方买不到这种强磁铁,如何用较普通的磁铁也能看到铝环明显动起来呢?我再次陷入了沉思。

我不得不去重做一个直径大一些的铝环。为了简便起见,我用剪刀从易拉罐上剪下一个约1cm宽的一个铝环,将其剪断变成一个开口环。可实验中铝环并没有像预期的那样动起来,怎么办呢?

正当我无计可施的时候,一个痴迷的探究者被我的实验所吸引,这个痴迷者是个72岁的老顽童,是被小朋友叫做科技爷爷的顾力兵。他试着把磁铁靠近铝环的一边插入铝环中,结果铝环发生了很明显的扭动,而且在反复把磁铁插入、拔出的过程中,我们发现铝环像一个扭摆一样在来回的扭动。这时我猛然想到如果磁铁插入拔出的频率和铝环的固有扭转频率相同,它们不是会发生共振吗,这样虽然磁铁来回一次引起铝环的晃动较小,但多次往复它一定会越晃越厉害的。另外,由于不是让它摆动,而是让它扭动,克服细绳的扭转矩可要省力得多。于是我按照铝环的扭转频率来回移动磁铁,果然铝环的扭动幅度越来越大,变得异常的明显。看样子,这种积小成大的方法确实非常有效。在顾老师的帮助下,我们又试着把铝环拉平直,做成条状(如图3),用磁铁去靠近它的一边,果真它也动了,几次反复后,铝条扭动的幅度也变得很大了。后来我们又试着在铝环的外面靠近铝环的地方来回移动磁铁,铝环也同样能扭动起来,而且扭动幅度都很大。在上面实验的基础上,我换了一个普通的圆柱形磁铁,将它吸附在一把螺丝刀上,然后在环的内侧和外侧来回靠近和远离铝环,结果铝环都能很明显地扭动起来了,且振幅越来越大。

做到这里我们可以大致讨论一下前人对开口铝环会运动的四种解释了。铝环和如此明显的扭动是不可能用空气的流动来解释的,前面所说的第一种解释不攻自破了,当然为谨慎起见我还做了一个纸环吊起来进行对比实验,结果纸环并未明显扭动。第二种解释自然也站不住脚,因为这里只有一个开口环存在,因此,我至少可以认为闭口环的影响不是主要因素。至于是瞬间电流还是涡流的影响呢?可以做一个对比实验:再剪一个1cm宽的铝环,不过将其剪成三四条彼此绝缘但又靠拢在一起的环,将其吊起来重复前面的实验,实验结果表明这个环的运动明显更微弱。这说明主要原因还是涡流的影响2。另外,我做了另一个更简单的实验也证明了这一点:将一块铝(铜)板斜靠在桌边形成一个斜面,分别将一个螺帽和一枚钕铁硼磁铁放在上面让它们自由下滑,结果钕铁硼磁铁明显下滑更慢,这儿连环都没有了,因此只能用涡流来解释了。

三、对铝环实验的教学改进意见

笔者就铝环实验在物理专业背景的人中间做了一个小范围调查,结果发现绝大多数人都存在像参观者那样的想法,认为开口铝环中不会产生感应电流,所以在碰到铝槽实验时就无法解释其实验现象了。究其原因,问题还是出在人民教育出版社出版的物理教科书和教师教学用书上。笔者在十九年前读高中时就接触过这个实验,现在笔者查阅了最新版高中物理教科书《物理》第二册(必修加选修),这道实验现象解释题仍然出现在《楞次定律》一节的练习题中,而与其配套的教师教学用书上的解释与参观者的解释无异。既然实验已证明在强磁铁靠近和远离开口铝环时,铝环中有感应电流(涡流)产生,那么教师用书中的说法就是错误的,应该更正,而不应该让这个错误继续下去了。

在该实验的教学上,笔者认为也应作相应的更改。下面是笔者设计的一种设计思路。出示图1所示铝环实验装置,演示后提问:为什么磁铁靠近和远离闭口铝环时会发生转动而靠近和远离开口铝环时不转动?对于磁铁靠近和远离闭口环时产生的现象学生应该不难得出正确的结论,但对开口环而言通过教师的引导学生中间必然会产生争论,在学生争论后再和学生一起设计实验进行验证(如前面提到的铝条实验、铝槽实验和铝板实验),得出正确的解释。另外,在课后也可以让学生去自制这些简单的实验器材进行实验。

 

 

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