J2424型楞次定律演示仪实验异常现象的探究

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普通高中课程标准实验教科书（人教版）《物理》选修3-2，第14页第6题《教参》答案：……由于B环是断开的，无论磁极移近或远离B环，都不会在B环中形成感应电流，所以B环将不移动.但实验中却发生与答案相悖的结论.在磁铁靠近或远离B环时，B环发生了轻微的移动.如何解释实验中的现象呢？

首先我们观察教科书（人教版）《物理》选修3-2，第14页图4.3-13（本文图1）.从图中可以看出这是实验室常用的j2424型楞次定律演示器，它是由一定厚度和宽度的两个圆环（其中一个有一个断口）通过一个和圆环宽度一样的长薄铝片组成.我们用这个演示器及其在这个仪器基础上改进的仪器进行以下实验：

实验一如图1所示，当磁铁靠近A环，A环迅速离开；当磁铁迅速靠近B环时，B环慢慢远离；磁铁离开时，B环慢慢靠近磁铁，B环靠近的幅度比远离时要大.

实验二磁铁靠近A环或B环外侧，A环或B环慢慢远离；磁铁远离A环或B环左侧，A或B环慢慢靠近，但靠近的速度要比远离时大.

磁铁靠近环的外侧也能产生移动现象，这说明产生这一现象的原因不是环形电流造成的.是什么原因造成的呢？通过比较发现，实验中的现象与电磁阻尼摆类似，为了证明这一点我们进行以下实验：

实验三把图1中的A环换成面积相同的铝片C，B环换成铝片D，在铝片D中心挖去一部分并开一个小口，变成中空的铝片D，如图2所示.当磁铁靠近铝片C或铝片D时，铝片C或D离开；磁铁远离铝片C或D时，铝片C或D迅速靠近.逐渐减小铝片D的面积，并且每减小一次便重复一次上述实验，可以看到，铝片D远离或靠近磁铁的动作幅度随铝片面积的减小而减小.

实验四如图3所示，B环换成断开的细铝圈，当磁铁靠近铝圈E以及磁铁远离铝圈E时，铝圈E没有动作；磁铁换成强磁铁，重新实验，铝圈E动作的现象也不明显.

总结以上实验可以得出：1.处于变化磁场中的铝片会受到力的作用.如果变化磁场是磁铁运动造成的，当磁铁靠近铝片时，铝片会远离磁铁；当磁铁远离铝片时，铝片会靠近磁铁.2.如果铝片的面积减小，实验中铝片动作的幅度也将减小，当铝片变得很细时，只要不形成闭合回路，无论是直线状态，还是开口的圆环状态，其动作状态都不明显.这些现象说明处于变化磁场中的铝片被动的动作类似于电磁阻尼摆在磁场中的发生的阻尼现象，只是电磁阻尼摆是摆（铝块）运动磁铁不动，而实验三和四是磁铁运动铝片不动.磁铁不动摆运动的结果是铝块内部的电子受到洛伦兹力，磁铁运动铝片不动的结果是铝片内部的电子受到感应电场力，这两种力在整块金属内部引起的感应电流叫涡电流（简称涡流），涡流的磁场阻碍着原磁场的变化，宏观上表现为阻碍着摆或铝片的运动.铝环B虽然不是一个片状金属，但是我们可以把它看成是由许多微小片状金属构成的，因此，B环出现的移动现象应与电磁阻尼摆的基理是一样的.

在实验一中，当磁铁迅速靠近B环时，B环慢慢远离；磁铁离开时，B环慢慢靠近磁铁，B环靠近的幅度比远离时要大.这种现象，在实验3中，当磁铁远离铝片时表现的更为明显.为什么会出现这一情况呢？根据电磁理论，任何媒质在磁场的作用下都或多或少地发生变化并反过来影响磁场，因此任何媒质都可以看作磁介质，磁介质在磁场作用下的变化叫磁化.当磁铁远离铝片时，铝片或铝环一方面受到涡电流的磁场作用，同时“被磁化”的铝片还与磁铁作用，两个力作用方向相同，增强了铝片或铝环的动作幅度.

我们再来看看以下几个有趣现象：

实验五如图4和图5所示，把A和B环用细线单独悬挂起来，磁铁靠近A环，A环离开；磁铁远离A环，A环靠近；磁铁靠近B环，B环慢慢离开；磁铁远离B环，B环慢慢环靠近.

实验六如图4所示，磁铁靠近A环右侧，A环逆时针旋转，磁铁远离A环右侧，A环顺时针旋转.用磁铁靠近悬挂着的A环侧面，A环远离；磁铁离开A环时，A环迅速跟进；把A环换成B环重新实验可得同样的结果.

依据上述实验和电磁学理论我们再来分析利用J2424型楞次定律演示器实验时出现与理想实验相悖的异常现象：当磁铁靠近或远离铝环B时，由于处于变化磁场中的铝环上的片状铝片上出现了涡流现象，涡流的磁场阻碍着原磁场的变化并与原磁场相互作用.由于片状铝片面积很小，所以形成的涡流磁场强度很弱，导致它与原磁场相互作用力很小，很小的作用力使实验中的铝环B只发生轻微移动；由于铝也是一种磁介质，它在磁场中会被轻微地磁化，磁化的铝片在磁铁远离铝环B时与铝环中的涡流磁场共同作用从而导致铝环B动作的幅度要比磁铁靠近铝环B时的幅度大.

通过以上分析研究，我们对J2424型楞次定律演示器实验进行改进，采用线状圆圈代替圆环，从而消除实验中由于B环厚度和宽度带来的涡旋电流使其发生移动的异常现象.