第二章 第一節(jié) 科學(xué)探究：感應(yīng)電流的方向
如果我們將螺線管兩端接上一個(gè)電流表，組成一個(gè)回路，當(dāng)在螺線管一端插入或拔出一塊條形磁鐵時(shí)，我們會(huì)看到電流表的指針時(shí)而偏左，時(shí)而偏右，這就是感應(yīng)電流的方向發(fā)生了變化。那么，感應(yīng)電流的方向和哪些因素有關(guān)呢？感應(yīng)電流的方向又遵循什么規(guī)律呢？本節(jié)我們就來(lái)探究實(shí)驗(yàn)，總結(jié)感應(yīng)電流方向的規(guī)律。
1. 探究影響感應(yīng)電流方向的因素
目的
（1）探究影響感應(yīng)電流方向的因素。
（2）學(xué)會(huì)利用電流表判斷感應(yīng)電流的方向。
實(shí)驗(yàn)設(shè)備
電流表、干電池、開(kāi)關(guān)、保護(hù)電阻、電線、螺線管、條形磁鐵。
安全警告
使用電流表時(shí)，注意不要超出其量程，以免損壞電流表。
實(shí)驗(yàn)原理與設(shè)計(jì)
將磁鐵的不同極點(diǎn)插入和取出螺線管，觀察感應(yīng)電流方向的變化。通過(guò)分析感應(yīng)電流方向與磁鐵磁場(chǎng)方向和通過(guò)線圈的磁通量變化之間的關(guān)系，探索影響感應(yīng)電流方向的因素。
實(shí)驗(yàn)步驟
（1）首先明確電流表指針的偏轉(zhuǎn)方向與流過(guò)電流表的電流方向的關(guān)系。
（2）觀察電磁鐵上漆包線的繞線方向。
（3）按圖2-1所示連接電流表與螺線管，按順序完成下列實(shí)驗(yàn)操作，記錄觀察到的電流表指針的偏轉(zhuǎn)量，并填寫表格。
圖2-1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖
①將條形磁鐵的N極插入電磁鐵內(nèi)，稍等片刻，然后將其從電磁鐵中拉出；
②將條形磁鐵的S極插入電磁鐵內(nèi)部，稍等片刻，然后將其從電磁鐵中拉出。
數(shù)據(jù)分析
將實(shí)驗(yàn)得到的信息填寫下表，請(qǐng)根據(jù)實(shí)驗(yàn)信息得出結(jié)論。
N極插入
N極拔出
S極插入
S 極拉出
通過(guò)螺線管的磁通量變化
感應(yīng)電流的方向
感應(yīng)電流的磁場(chǎng)方向與條形磁鐵的磁場(chǎng)方向比較
實(shí)驗(yàn)結(jié)果
請(qǐng)寫出實(shí)驗(yàn)的結(jié)論。
討論
如果磁鐵靜止，螺線管運(yùn)動(dòng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果會(huì)怎樣？ 如果磁鐵和螺線管一起運(yùn)動(dòng)，且保持相對(duì)靜止，實(shí)驗(yàn)結(jié)果會(huì)怎樣？
提高讀寫能力
能分析物理現(xiàn)象，提出并準(zhǔn)確表達(dá)可探討的物理問(wèn)題，做出合理假設(shè)；能在他人幫助下制定實(shí)驗(yàn)方案，利用螺線管等設(shè)備獲取信息，并將收集到的信息填入表格中；能分析表格中的實(shí)驗(yàn)信息，歸納總結(jié)并形成與實(shí)驗(yàn)?zāi)康南嚓P(guān)的結(jié)論；能撰寫規(guī)范的實(shí)驗(yàn)報(bào)告，在報(bào)告中呈現(xiàn)數(shù)據(jù)分析過(guò)程和實(shí)驗(yàn)結(jié)論，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)中遇到的問(wèn)題提出改進(jìn)措施。
注意提高提出問(wèn)題、假設(shè)和推測(cè)、分析和論證的能力。
- 科學(xué)研究
迷你實(shí)驗(yàn)室
探索感應(yīng)電流的方向
將螺線管、磁鐵、發(fā)光二極管等接成圖2-2所示的電路，探究感應(yīng)電流的方向與磁鐵磁場(chǎng)方向及磁通變化的關(guān)系。
圖2-2 實(shí)驗(yàn)電路原理圖
2. 楞次定律
在上述實(shí)驗(yàn)探索中，當(dāng)將條形磁鐵的任意一極靠近或插入閉合線圈（螺線管）時(shí)，穿過(guò)線圈的磁通量都會(huì)增加，導(dǎo)致線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電流。而感應(yīng)電流所激發(fā)出的磁場(chǎng)B'的方向始終與條形磁鐵的磁場(chǎng)B方向相反，從而阻礙了線圈中磁通量的增加【圖2-3（a）】。反之，當(dāng)將條形磁鐵的任意一極拉出或離開(kāi)閉合線圈時(shí)產(chǎn)生感應(yīng)電流的條件，穿過(guò)線圈的磁通量都會(huì)減少，導(dǎo)致線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電流。而感應(yīng)電流所激發(fā)出的磁場(chǎng)B'的方向始終與條形磁鐵的磁場(chǎng)B方向相同，從而阻礙了線圈中磁通量的減少【圖2-3（b）】。
圖2-3 磁極插入與拔出時(shí)B′、B方向示意圖
俄國(guó)物理學(xué)家楞次（1804—1865）根據(jù)大量電磁感應(yīng)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)并提出了感應(yīng)電流方向的規(guī)律：感應(yīng)電流的磁場(chǎng)總是阻礙引起感應(yīng)電流的磁通量的改變，這就是楞次定律。
楞次定律也可以這樣理解：當(dāng)磁鐵的北極移近導(dǎo)體線圈上端時(shí)，感應(yīng)電流所激發(fā)的磁場(chǎng)使得線圈上端也變?yōu)楸睒O，由于同極磁極互相排斥，所以阻礙了磁鐵相對(duì)于線圈向下的運(yùn)動(dòng)；而當(dāng)磁鐵的北極離開(kāi)導(dǎo)體線圈時(shí)，感應(yīng)電流所激發(fā)的磁場(chǎng)使得線圈上端也變?yōu)槟蠘O，由于異極磁極互相吸引，所以阻礙了磁鐵相對(duì)于線圈向上的運(yùn)動(dòng)。
從能量轉(zhuǎn)換與守恒定律來(lái)看，當(dāng)磁鐵靠近線圈時(shí)，外力要克服磁鐵與線圈之間的排斥力才能做功，這樣其他形式的外部能量就轉(zhuǎn)換成電能；當(dāng)磁鐵遠(yuǎn)離線圈時(shí)，外力要克服磁鐵與線圈之間的吸引力才能做功，這樣其他形式的外部能量也轉(zhuǎn)換成電能。在兩種情況下，總能量都是守恒的。
迷你實(shí)驗(yàn)室
如圖2-4所示，將一根內(nèi)徑相同的鋁管（或銅管）和一根塑料管垂直放置在鋪有毛巾的桌面上，從同一高度同時(shí)釋放兩塊強(qiáng)磁鐵，一塊從鋁管中落下，另一塊從塑料管中落下。進(jìn)入鋁管的磁鐵經(jīng)過(guò)延時(shí)后落到桌面上。
圖2-4 實(shí)驗(yàn)示意圖
這樣做并解釋原因。
例子
如圖2-5所示貝語(yǔ)網(wǎng)校，兩平行金屬軌道P、Q水平放置在均勻磁場(chǎng)中，磁場(chǎng)方向垂直于軌道平面，兩軌道之間接有電阻R。當(dāng)一根垂直于軌道的導(dǎo)體棒ab沿軌道向右滑動(dòng)時(shí)，導(dǎo)體棒ab中感應(yīng)電流的方向?yàn)楹危空?qǐng)解釋原因。
圖 2-5 導(dǎo)體切割磁通線的運(yùn)動(dòng)
分析
知道了磁場(chǎng)的方向和桿ab的運(yùn)動(dòng)方向，就可以推斷出通過(guò)閉合回路的磁通量的變化；根據(jù)楞次定律，可以確定感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)的方向；利用安培定律，可以確定閉合回路中感應(yīng)電流的方向。
解開(kāi)
桿ab中感應(yīng)電流的方向是從b流向a。已知原磁場(chǎng)方向是垂直于紙面、向內(nèi)。當(dāng)桿ab向右滑動(dòng)時(shí)，穿過(guò)閉合回路abPQ的磁通量增加。根據(jù)楞次定律，電路中產(chǎn)生的感應(yīng)電流的磁場(chǎng)會(huì)阻礙閉合回路中磁通量的增加。因此，回路中感應(yīng)電流的磁場(chǎng)方向與原磁場(chǎng)方向相反，即垂直于紙面、向外。根據(jù)安培定律，感應(yīng)電流按逆時(shí)針?lè)较蛄鲃?dòng)。
討論
在圖2-5中，若固定桿ab，則垂直于紙面的磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度增大。試分析閉合回路中感應(yīng)電流的方向。
策略細(xì)化
利用楞次定律確定感應(yīng)電流方向的步驟一般是：首先確定閉合回路中引起感應(yīng)電流的磁場(chǎng)（原始磁場(chǎng)）的方向；然后確定原始磁場(chǎng)通過(guò)閉合回路時(shí)磁通的變化；再根據(jù)楞次定律確定感應(yīng)電流磁場(chǎng)的方向；最后根據(jù)感應(yīng)電流磁場(chǎng)的方向，利用安培定律確定感應(yīng)電流的方向。
遷移
如果木棒ab要一直勻速向右運(yùn)動(dòng)，外力應(yīng)該指向哪個(gè)方向？為什么？請(qǐng)從能量轉(zhuǎn)換和守恒的角度解釋。
3. 右手定則
如果磁通量的變化是由于導(dǎo)體切割磁通線引起的，那么，感應(yīng)電流的方向、磁通線的方向、導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)的方向有如下關(guān)系：伸出右手，使大拇指與其余四指垂直，且均與手掌處于同一平面，讓磁通線垂直穿過(guò)手掌，使大拇指指向?qū)w運(yùn)動(dòng)的方向，其余四指指向的方向即為感應(yīng)電流的方向（圖2-6）。這就是右手定則。
圖2-6 右手定則示意圖
右手定則可看作是楞次定律在導(dǎo)體切割磁通線的特殊情況下的應(yīng)用。上例中，當(dāng)導(dǎo)體ab向右滑動(dòng)時(shí)，也可利用右手定則判定導(dǎo)體ab中感應(yīng)電流的方向是從b流向a，這與楞次定律確定的結(jié)果完全一致。
科學(xué)書店
楞次
俄國(guó)物理學(xué)家倫茨（圖2-7），1834年當(dāng)選為圣彼得堡科學(xué)院院士，曾任圣彼得堡大學(xué)數(shù)學(xué)物理系主任。
圖 2-7 楞次
1833年，楞次總結(jié)安培、法拉第等人的研究成果，在圣彼得堡科學(xué)院發(fā)表了《關(guān)于用電動(dòng)力學(xué)法確定感應(yīng)電流方向》論文，提出了確定感應(yīng)電流方向的定律——楞次定律。1843年，楞次在不知道焦耳已發(fā)現(xiàn)電流熱效應(yīng)定律（1841）的情況下，獨(dú)立發(fā)現(xiàn)了這一定律。他用酒精作為傳熱介質(zhì)，改進(jìn)了實(shí)驗(yàn)方法，增加了實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性。因此，焦耳定律又稱焦耳-楞次定律。
此外，楞次還研究并定量比較了不同金屬的電阻率以及電阻率與溫度的關(guān)系，在電氣工程、地球物理學(xué)和電化學(xué)等方面也做了大量工作。
分節(jié)練習(xí)
1. 請(qǐng)撰寫“探究影響感應(yīng)電流方向的因素”實(shí)驗(yàn)報(bào)告，注意在報(bào)告中呈現(xiàn)數(shù)據(jù)分析過(guò)程和實(shí)驗(yàn)結(jié)論，并針對(duì)實(shí)驗(yàn)中存在的問(wèn)題提出改進(jìn)措施。
參考答案：省略
2、一個(gè)平面線圈用一根細(xì)桿懸掛在點(diǎn)P處。起初，細(xì)桿處于水平位置。松開(kāi)后，讓其在如圖所示的均勻磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)。已知線圈所在平面始終垂直于紙面。當(dāng)線圈第一次經(jīng)過(guò)位置I和位置II時(shí)，順著磁場(chǎng)方向看，線圈中感應(yīng)電流的方向是什么？
參考答案：先逆時(shí)針，再順時(shí)針。
3、如圖所示為法拉第盤發(fā)電機(jī)，一個(gè)半徑為r的導(dǎo)體圓盤繞垂直軸以角速度ω旋轉(zhuǎn)，勻強(qiáng)磁場(chǎng)B垂直向上，兩個(gè)電刷分別與圓盤中心軸和邊緣接觸，電刷間有一個(gè)阻值為R的電阻。分析發(fā)電機(jī)的工作原理，確定流過(guò)電阻的電流方向。
參考答案：兩塊電刷、一根垂直軸、一個(gè)導(dǎo)體盤、一根導(dǎo)線、一個(gè)電阻組成一個(gè)閉合回路。導(dǎo)體盤可以看作是從中心向邊緣許多條輻射狀的導(dǎo)體條。由于導(dǎo)體盤處在磁場(chǎng)中，當(dāng)它旋轉(zhuǎn)時(shí)，可以看作是一根導(dǎo)體條切割磁通線，相當(dāng)于電源供電產(chǎn)生感應(yīng)電流的條件，閉合回路中產(chǎn)生感應(yīng)電流。利用右手定則可確定流過(guò)R的電流方向是從b流向a。
4、有人打算利用電磁感應(yīng)的知識(shí)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)尋找磁單極子。實(shí)驗(yàn)儀器的主要部分是一個(gè)如圖所示的由超導(dǎo)體做成的線圈。如果一個(gè)磁單極子從上到下穿過(guò)超導(dǎo)線圈，超導(dǎo)線圈中就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流。關(guān)于感應(yīng)電流的方向，下列說(shuō)法正確的是：
A.當(dāng)磁單極子穿過(guò)超導(dǎo)線圈時(shí)，線圈中感應(yīng)電流的方向發(fā)生改變。
B.當(dāng)N磁單極子與S磁單極子通過(guò)超導(dǎo)線圈時(shí)，線圈中感應(yīng)電流的方向相同。
C.磁單極子穿過(guò)超導(dǎo)線圈時(shí)，線圈中感應(yīng)電流的方向保持不變
D.當(dāng)磁單極子穿過(guò)超導(dǎo)線圈時(shí)，從上往下看，線圈中感應(yīng)電流的方向始終是順時(shí)針?lè)较颉?span style="display:none">cRr物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))
參考答案：C
5. 掃描隧道顯微鏡（STM）可用于檢測(cè)樣品表面原子級(jí)形貌。如圖所示，為了有效隔離外界振動(dòng)對(duì)STM的干擾，在圓形底板周圍沿徑向?qū)ΨQ安裝幾對(duì)銅板，并施加磁場(chǎng)以迅速衰減其微小振動(dòng)。在沒(méi)有擾動(dòng)時(shí)，按照以下四種方案對(duì)銅板施加恒定磁場(chǎng)。擾動(dòng)發(fā)生后，衰減銅板垂直和水平振動(dòng)最有效的方案是
參考答案：A
6、某學(xué)生利用電磁驅(qū)動(dòng)原理研究彈射問(wèn)題，如圖所示，當(dāng)固定線圈中突然通入直流電流時(shí)，線圈左側(cè)的金屬環(huán)被彈射出來(lái)，下列哪項(xiàng)表述是正確的？
A、當(dāng)開(kāi)關(guān)S閉合時(shí)，環(huán)內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電流，從右側(cè)看，方向?yàn)槟鏁r(shí)針?lè)较颉?span style="display:none">cRr物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))
B.如果金屬環(huán)固定，當(dāng)開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，環(huán)將趨于膨脹。
C. 如果將金屬環(huán)放在線圈的右側(cè)，則環(huán)將向右彈出。
D.若將電池正負(fù)極互換，金屬環(huán)無(wú)法向左彈出。
參考答案：C
7、如圖所示，在一根長(zhǎng)鐵釘上用漆包線繞制兩個(gè)線圈A、B。將線圈B的兩端接上漆包線CD，將CD平放在靜止的小磁針頂端，與小磁針平行。試判斷開(kāi)關(guān)閉合瞬間小磁針N極的偏轉(zhuǎn)情況，并用實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證你的判斷。
參考答案：偏進(jìn)紙里。