对“双环实验”的再探究

邱会明徐思涌

(南京金陵中学 江苏 南京 210005)

在人教版《物理·选修3-2》第三节“楞次定律”的问题与习题中，有一个 “双环实验”，如图1所示．笔者利用课余时间对该实验进行了验证，结果发现，如果用普通磁铁(10-2T量级)进行实验，其结果与人教版《物理·选修3-2》教师用书的解答相符；如果改用强磁铁(0.4～0.5T)进行实验， 对闭合的A环实验的结果与解答相同，对有个缺口的B环实验的结果与解答完全相反．笔者针对上述问题重新进行了猜想、设计方案和实验验证等探究活动，得出了制约“双环实验”的两个因素，最后对课本中的“双环实验”提出了一点修改建议．

1 双环实验的异常现象

1.1 双环实验

图1中的A和B都是铝环，横梁可以绕中间的支点转动．用磁铁的任意一极接近A环，会产生什么现象？把磁铁从A环移开，会产生什么现象？磁极移近或远离B环时，又会产生什么现象？解释发生的现象．

图1 双环实验

1.2 双环实验的异常现象

双环实验的现象：用磁感应强度为10-2T量级的普通磁铁的任一极(如S极)接近A环时，A环将远离磁铁;当磁铁远离A环时，A环将靠近磁铁．磁极靠近或远离B环时，B环不移动．

双环实验的异常现象：用磁感应强度为0.4～0.5T的高强度磁铁的任一极(如N极)靠近A，B环时，A，B环将远离磁铁；当磁铁远离A，B环时，A，B环将靠近磁铁．不过，断开的B环远离和靠近的效果虽然比A环弱一些，但仍能清晰可见．根据楞次定律，由于B环是断开的，无论磁极靠近或远离B环，都不会在B环中形成感应电流，所以B环不移动．可见，双环实验出现了异常现象．

2 猜想

2.1 猜想1

在磁铁插入B环的过程中，由于磁性很强，且磁感线是闭合线，部分磁感线同时穿过了另一端闭合的A环，穿过A环中的磁通量发生变化，根据楞次定律，A环阻碍磁通量的变化而发生运动，带动支架与B环运动．

2.2 猜想2

磁铁插入B环的过程中，B环中引起了短暂的充电电流，正是这个短暂的充电电流阻碍了B环与磁铁的相对运动，从而引起了B环的运动．

2.3 猜想3

在磁铁插入B环的过程中，磁感线穿过了B环侧壁，在侧壁面产生了涡流，正是这些涡流阻碍了B环与磁铁的相对运动，从而引起了B环的运动．

3 实验验证

3.1 验证1——等效法

实验方案：如图2所示，把强磁铁垂直于A，B环平面放置，并位于A环的左侧，使得磁铁和B环关于A环的中心大致对称.让高强度磁铁垂直于A，B环的平面内运动．这样，高强度磁铁穿过A环中的磁通量发生变化的效果与猜想1相同，如果实验中B环运动，说明猜想1是正确的，反之亦成立．

实验结果：多次实验表明，B环并没有运动，说明猜想1是错误的．

图2 等效法的实验验证

3.2 验证2——比较法

实验方案：如图3所示，制作两个有缺口铝环，其中有一个缺口的环为B1、有两个缺口的环为B2．在B1，B2的缺口处分别安装一个弯曲成直角形“┛”的有机玻璃棒，在B2的另一个缺口用一小块平面有机玻璃固定连接.如图4所示，“┛”有机玻璃棒的短边与缺口固定连接，长边与铁架台固定．

图3 弯成直角的缺口铝环

图4 比较法的实验验证

把B1，B2缺口的两端分别与灵敏电流计G1，G2相连.用高强度磁铁分别插入B1和B2时，观察G1，G2是否偏转．由于B1与G1内部形成一个闭合回路，磁铁插入时，回路中产生感应电流，G1偏转．B2与G2没有构成闭合回路，磁铁插入时，如果观察到G2偏转，说明B环中引起了短暂的充电电流；如果G2没有偏转，说明B环中无短暂的充电电流或电流很弱．通过观察G1，G2是否偏转，及比较G1，G2偏角的大小，就可以知道充电电流的强弱，从而可以猜判断出猜想2的正确与否．

实验结果：多次实验表明，G1偏转，G2不偏转，说明猜想2是错误的．

3.3 验证3——排除法

实验方案：如图5所示，用精加工的方法挖去B环的侧壁面，以消减涡流的大小．由于B环的重量减小了，因此带来双环的不平衡，在实际制件过程中，在B环缺口的对称部位应加上适当的配件，以维持双环的稳定平衡．用高强度磁铁插入或拔出图5中的B环，如果B环不运动或运动效果减小，说明猜想3正确，反之亦成立．

实验结果：多次实验表明，当高强度磁铁插入或拔出图5中的B环时，B环没有运动，说明猜想3是正确的．

图5 排除法的实验验证

4 对双环实验的一点建议

通过上述的实验探究可以看出，制约双环实验有两个重要的因素：第一是铝环的构造；第二是磁铁的强弱．用普通磁铁做双环实验时，铝环通和断的矛盾性凸显出来；用高强度磁铁做双环实验时，铝环侧壁面积的大和小的矛盾性得以充分的体现．因此，在做双环实验时，一定要考虑到铝环的构造和所用磁铁的强度这两个制约双环实验的重要因素．这个实验的再探究使我们透过了“B(有个缺口)环运动”的现象，看到了“B环的侧壁对运动产生影响”的本质．课本中安排双环实验的目的是得到“铝环的通和断影响铝环的运动”的结论．笔者认为，在双环实验中，应该加上“用普通磁铁(为10-2T量级)和细环”的条件，这样“双环实验”的现象才能与预设的结论相一致．

编后语

本文作者在教学中善于发现问题，深入思考，动手做实验的做法值得提倡．希望能有更多的一线教师多做这方面的工作，教学搞得生气蓬勃，学生学得灵活主动，师生的聪明才智得以充分发挥，社会需要的人才就会源源不断地涌现出来．