唯有躬行实验 方得真知灼见——例说一道浙江省高考题“电磁感应实验”的答疑过程

吕 蜂 赵和平

(1. 象山县第三中学，浙江 宁波 315700； 2. 象山中学，浙江 宁波 315700)

物理是以实验为基础的学科．在一次高三复习课上,笔者让学生尝试一下2017年4月浙江省普通高校招生选考科目考试的第21题．其中第二小题如下.

图1

用如图1所示的装置做“探究感应电流方向的规律”实验,磁体从靠近线圈的上方静止下落．在磁体穿过整个线圈的过程中,传感器显示的电流i随时间t的图像应该是

笔者在后续的答疑的过程中,引导学生上演现实版的“小马过河”．笔者遵循学生认知规律,抛开“书中得来”不讲,通过以下层层突入的4个环节,用实验方式解释该实验题．

1 课堂生疑,问其由

线圈、小磁铁、测电流,判断i-t图像,在笔者看来这是道器材熟悉,情景易懂,难度不大的必得分实验题,所以匆匆带过．课后,课代表跑来办公室,笃定地反问:为什么不能选(D)?笔者压下脸上的困惑,听课代表细细道来.

(2) 课代表回忆到在新课“楞次定律”一节中,笔者以“小磁铁在铜管中龟速下落”的反常趣味实验作为引入．受此影响,学生将线圈等效成铜管,认为小磁铁在穿入线圈后由于电磁感应产生阻碍其下落的安培力,并且很快和重力平衡,使得小磁铁马上匀速下落．试想小磁铁所处的状态是稳定平衡的,那么维持小磁铁状态的各物理量都应不变,所以此时感应电流有且保持不变,故选择选项(D)．

这样一分析,看来问题的症结是课代表将“多匝线圈等效成铜管”．笔者认为物理上的假设是为了解释物理现象,假设本身不存在对错,只要能吻合特定现象能自圆其说，该假设在该情景下即为合理．基于这个观点,要想否定一个假设需要用实验驳斥.

2 粮草先行,利其器

2.1 实验材料

亚克力板,亚克力合页,亚克力玻璃棒,塑料轴承,粗细不同的铜管,PVC管,鳄鱼夹,8 mm×7 mm(直径×高度)圆柱形小磁铁,漆包线,保护电阻,朗威微电流传感器和数据采集器等．

2.2 制作倾角可调节斜面

取2根12×14×400 mm(内径×外径×长度)的PVC管,在其中一根上绕制3匝等间距的漆包线,记为管1;在另一根上连续绕制无间隙漆包线,构成螺线管,记为管2;取两根12×16×400 mm的粗铜管,在其中一根上用线切割割出一条沿着中心线方向的细缝,记为管3;另一根不做任何处理,记为管5;取12×13×400 mm的细铜管,也不做处理,记为管4．

2.3 安装(如图2所示)

图2

3 格物致知,探其本

3.1 多匝线圈=单匝线圈叠加

调节斜面至某一倾角固定,将小磁铁从管1静止释放,测量线圈中的微电流如图3所示．由于笔者设计实验时3匝线圈间隔15 cm,而小磁铁体积小磁性相对较弱,所以可近似认为小磁铁每经过一匝线圈时产生的感应电流是单独作用于该匝线圈的结果．图3显示共有3段类似波形,表示小磁铁先后经过3匝线圈时对应的电流情况．乍一看,3段电流波形越来越紧密且其峰值和谷值均越来越大．笔者利用朗威软件对图像求积分,发现3段电流波形中所有的正向电流图像和坐标轴围城面积均为定值0.0114(×10-6C)，负向电流图像亦是如此．

图3

图4

如果我们把线圈的间距缩小,反映到图像上就是相邻两段波形会彼此靠近．再靠近呢,出现的结果可能就是前一段的负向电流和后一段的正向电流刚好抵消．基于上述逻辑推理，单匝线圈彼此靠近叠加成多匝线圈,单匝线圈彼此靠近电流会相互抵消．那么如果小磁铁在无穷多紧密排列的线圈中滑下,我们以任意时刻下小磁铁的南北极分界线为对称轴,总能找到电流大小相同方向相反的一对线圈,例如图4中的线圈1和2,3和4等等．按照这个逻辑,此时线圈回路中的电流因抵消而总为0．而实际情况下,实验操作的并不是无穷多匝线圈,我们只能把小磁铁在线圈中间区域的运动做上述近似处理,所以得到结论:小磁铁在多匝线圈中滑下,运动到线圈中间区域时回路无电流．

对管2重复上述实验步骤,如图5所示,实验结果和我们刚才的推理一致．值得一提的是,笔者借助“冲淡重力”思想基于斜面得到上述结论,但只要改变倾角,合理外推,实验结论也应该能契合竖直情形(选项(A)图像和图5的一致性证明了这点)．

图5

3.2 多匝线圈≠铜管

回到学生的问题,为什么本题背景下不能把多匝线圈等效成铜管?调节斜面倾角为26°固定,将小磁铁分别从管3,管4和管5静止释放,多次测量记录其在管中平均运动时间t3=3.93 s，t4=1.98 s，t5=4.49 s(改变倾角,也能得到类似数据)．管4和管5是完整的铜管,小磁铁下滑必然引起涡流,这是共识．而t3>t4,说明小磁铁在管3中下滑一定受到阻碍,细细想来罪魁祸首也只能是涡流产生的安培力,说明管3也有涡流，即便有缝．又因t5>t3,说明管5的涡流比管3的大．结合两个对比可发现：

(1) 沿中心线方向切割处理只是破坏了绕中心线旋转的涡流.(2) 完整铜管的涡流不仅仅只有绕中心线旋转的涡流．

而假设线圈也做类似切割处理,回路中断然不能产生电流，这说明铜管和线圈是有区别的．综上,线圈中的电流方向确定即绕中心线旋转而铜管的涡流可能朝空间各个方向均有分量,是不确定的．所以本题背景下,二者不能简单等效．

4 事了拂身,回其味

实验探究是高中物理核心素养中的重要一环．对于“线圈能不能等效成铜管”的问题,课代表能给出“貌似充分”的依据,显然是有经过一番认真思考的．像这样开放式的问题,如果只是泛泛而谈会缺乏说服力,所以笔者力求实验上的支持．立足痛点,对症下药,设计实验,解决问题．

理论和实验是物理学习并驾齐驱的两条线．理论预测实验,实验检验理论．一个问题你总能找到一套正确的理论去解释,你也能通过一个实验去分析．本文中笔者先呈现把多匝线圈看成单匝线圈叠加的详细过程,再揭示了等效成铜管的错误性,其间抛开理论不讲,纯粹用实验的结果去解释另一个实验现象,契合文章主题．另外,本文中实验得到的i-t图像如图3可从理论上分析诸如“等间距线圈得到的电流波形却是越来越近”、“同是正向电流,第一段又矮又胖而第三段又高又瘦”等问题,这里不便展开．

巧用斜面．高考题描述的是小磁铁在竖直方向落入线圈的情景,这样可能存在值得商榷的两个问题:(1) 加速度大,下落快,图像特性不明显;(2) 由于人为操作的因素,小磁铁静止释放后难保证不发生扭动,进而影响实验数据．基于以上问题,笔者设计斜面实验,一来在不影响实验结果的前提下冲淡重力,二来PVC管内壁是圆弧面,小磁铁是圆柱体,两圆内切,保证了小磁铁平稳下滑不扭动．