跟着感觉走,难抓住电的“手”

“电磁感应”现象是电磁学中最重大的发现之一。自奥斯特实现“电生磁”，第一个揭示了电、磁之间存在联系之后，法拉第 “电磁感应”的发现又进一步实现了“磁生电”，把电和磁更加紧密地结合在一起。“电磁感应”的发现为发电机的发明提供了理论依据，从而开启了人类进入电气时代的辉煌篇章！为此课堂上再现“电磁感应”现象意义重大。

一、课堂偶遇尴尬

苏科版物理课本上，采用的是如上图所示的装置进行实验。实验时效果非常不明显：指针仅是微微地晃动；不仔细观察根本无法看到。学生感受不到实验现象，实验结果当然也不能顺利得出。为此教学中一般都是采用线圈来替代单个导体、并用磁性强的磁体来进行实验。这样做实验效果确实好，但缺少了学生的思考过程，不利于他们思维能力的培养。所以课上我还是采用书本的实验装置，把实验效果不明显的问题摆在学生面前让他们去思考、去解决。学生的答案很多，相对靠谱的大致有这几种类型：换电表、换磁铁、加磁铁、加导线。针对他们的答案，我选取了几个认为有把握的进行实验。当把单股导线ab换成多根导线时，不管我怎么卖力地进行实验，电表的指针就是不给力。看着他们满怀期待的眼神，实在没辙的我只好拿出教师惯用的一招：这个实验比较复杂，今天课上时间不够，以后再跟大家仔细分析。我嘴上这样说，心里却在犯嘀咕：线圈能行，为何多根导线就不行呢？

二、上网再遇困惑

课上的问题让我陷入了思考：增强“感应电流”的操作究竟有哪些？由于这方面的资料很少，为此我决定上网去寻找答案。

上网查找中，发现对这个问题的讨论确实不少，但统一的答案却没有。另外，还发现跟我课上情况类似的2009年山东济宁市中考题目：

如图所示（见左图），是小明同学探究“怎样产生感应电流”的实验装置。其中ab是一根铜棒，通过导线连接在灵敏电流计的两接线柱上。实验时发现，无论怎样水平移动金属棒，电流计指针都没有明显偏转（仪器、接触都完好）。请从两个方面提出改进措施，以使指针偏转明显。

给出的参考答案有两个：①换用磁性更强的磁铁。②把ab换为用多根导线。对于前者比较好理解，对于后者总觉困惑。线圈不是可以看成是多根导线，线圈是可以增强“感应电流”，既然线圈能行，多股导线也应该可以。那为何课上实验没效果呢？为了消除心中的困惑，我决定再动手仔细研究。

三、动手操作释疑

根据已有的知识，结合自己的判断，我设想了可能影响感应电流的因素：导体切割磁感线的速度（只研究大小、方向不考虑）、磁体磁场强弱、导体切割磁感线的数量、导体的粗细。

实验器材：灵敏电流计、导线、导体、长导线、条形磁铁多块。

实验操作如下：

实验1：只改变导体ab切割磁感线的速度，指针有明显变化。

实验2：只改变磁体磁性强度，指针有明显变化。

实验3：把单个磁体换成多个相同的磁体，把它们紧密排成一行（见下图），指针有明显变化。

实验4：把长导体ab直接绕成多匝线圈，指针有明显变化。

实验5：把长导体ab截成多根导线并在一起（长度一样、导线根数与实验4中线圈的匝数相同），指针变化没有明显改变。

实验6：把实验5中的多根导线按下图方式固定在纸桶周围（相当于改变了导体的粗细），指针变化没有明显改变。

实验1、2、3的结果很好理解。实验4、5的不同结果，虽未出乎预料，但值得思考。两者切割磁感线的主体，都可以看成外形相似的多股导体。实验结果的完全不同，说明看似相同的两者肯定有着本质的区别。仔细观察后发现，原来多根导体和线圈最大的不同在于它们的连接方式。多根导体相当于并联，而线圈相当于串联，这可能是它们的问题所在。解决这个疑惑还是得回到研究的对象感应电流上。感应电流也是电流，所以电路中必须有电压即电源。在实验的这个闭合电路中，只有切割的导体才能充当电源。电路中电阻不变的情况下，影响电流变化的就只有电压这一个因素。多根导体在切割磁感线时，这些导体是并联的，相当于电源也是并联，对于升高电压是没有影响的；而线圈在切割磁感线时，这些导体是串联的，相当于电源也是串联，可以使电压成倍地增加。

为了验证我的分析是否正确，我以常见的电源干电池做了如下实验：

实验1：电源为一节干电池，记录电流表示数。

实验2：电源为二节干电池并联，记录电流表示数。

实验3：电源为二节干电池串联，记录电流表示数。

对比实验1、2，电流表示数无明显变化；对比实验1、3，电流表示数有明显变化。实验的结果证实了我的分析。

“电磁感应”现象中“感应电流”的影响因素有了一个完整的了解。对于单个导体，导体切割磁感线的速度（包括大小和方向）、磁体的磁场强度、导体切割磁感线的范围，这些都是影响感应电流大小的因素。对于线圈，除了以上因素外，线圈的匝数也会对感应电流的大小产生影响。

问题虽然解决，但这些都是实验所得，能否找到它的理论依据呢？

四、高中理论分析

在电磁感应实验电路中，如果电阻不变，那么影响电路中“感应电流”的大小只跟导体切割磁感线时产生的电压有关。这个电压就是高中课本中所说的“感应电动势”。查阅高中课本发现对于感应电动势的描述主要分两种情况：其一，“电路中感应电动势的大小，跟穿过这一电路的磁通量的变化率成正比。”可以用公式表示，对于线圈可以进一步用E=n来表示。其中E代表感应电动势、表示穿过回路的磁通量变化的快慢、n表示线圈的匝数。从公式可以看出，线圈的匝数影响了感应电动势，进而对“感应电流”产生影响。其二，特殊情况，对于单个导体切割匀强磁场的磁感线。当ab导体与磁感线成θ角做切割磁感线运动时，可以把速度v分解，其垂直切割磁感线的速度v=v・sinθ，那么可得出：E=BLvsinθ（如下图所示）。说明导体切割磁感线的方向也是其中一个影响因素。我们只讨论垂直切割磁感线的情况，所以公式可以直接写成E=BLv。其中B代表磁场的磁感应强度、L代表导体的长度、v代表导体垂直切割磁感线的速度。从这个公式可以看出，磁场的强度、导体的长度（导体切割磁感线的范围）、导体切割磁感线的速度，这三个因素共同决定了感应电动势的大小，进而对感应电流产生影响。

至此，影响“感应电流”的因素完全理解了，课上的疑惑也解决了。这些都离不开亲自动手操作，否则想要拿它真不易！

（作者单位 江苏省苏州张家港市南丰中学）