2019-2020年高二物理 （人教大綱版）第二冊(cè) 第十六章 電磁感應(yīng) 一、電磁感應(yīng)現(xiàn)象(備課資料).doc

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●備課資料 2019-2020年高二物理 （人教大綱版）第二冊(cè) 第十六章 電磁感應(yīng) 一、電磁感應(yīng)現(xiàn)象(備課資料) 英國(guó)的法拉第（M.Faraday 公元1791~1867年）是十九世紀(jì)電磁研究領(lǐng)域中最偉大的實(shí)驗(yàn)家. 法拉第是一個(gè)鐵匠的兒子.按他自己的話說：“我所受的教育是最平常的，比在普通的學(xué)校中基本的讀、寫、算多不了多少，我課外的時(shí)間還消耗在家里和街道上.”他13歲開始在離家不遠(yuǎn)的書店和裝訂廠當(dāng)童工，成為一名裝訂學(xué)徒工.法拉第十分喜愛閱讀經(jīng)他手裝訂的科學(xué)書籍.工余之后，法拉第還做些簡(jiǎn)單的化學(xué)實(shí)驗(yàn)，每周花上幾個(gè)便士買些簡(jiǎn)單用品.19歲時(shí)，他在晚上還常抽空去聽關(guān)于自然哲學(xué)的講座，法拉第的哥哥對(duì)他很支持，為他支付入場(chǎng)費(fèi)用.21歲時(shí)，法拉第幸運(yùn)地聽了化學(xué)大師戴維（H.Davy，公元1778~1829）在皇家研究院的四次演講.這時(shí)，法拉第已經(jīng)成為工廠的正式裝訂工，但法拉第渴望到科學(xué)研究部門里工作.在他想象中，科學(xué)部門里的學(xué)者一定是和藹可親心胸寬廣的人.這個(gè)想法促使法拉第邁出了人生道路上關(guān)鍵的一步.他大膽地給戴維寫了封信，表示了自己想到戴維門下工作的意愿，并將聽戴維的演講所作的工整的筆記也寄了去.戴維收到法拉第的信和筆記本后，受到感動(dòng)，給法拉第復(fù)信，接受了他的請(qǐng)求.1813年，法拉第22歲，在英國(guó)皇家研究院當(dāng)了戴維的助手.那年秋天，戴維外出旅行，法拉第作為戴維夫婦的秘書隨同前往.他們游歷了法國(guó)、意大利、瑞士等國(guó)，1815年法拉第回到皇家研究院.這次長(zhǎng)達(dá)兩年的旅游經(jīng)歷，使法拉第長(zhǎng)了不少見識(shí).回國(guó)后，法拉第開始了自己的獨(dú)創(chuàng)性的研究工作.1821年，30歲的法拉第才結(jié)婚.這期間，法拉第已經(jīng)在化學(xué)、光學(xué)和聲學(xué)諸方面取得了很多研究成果，大多數(shù)科學(xué)家決定推舉他為皇家學(xué)會(huì)會(huì)員，而妒忌心卻使學(xué)會(huì)主席戴維反對(duì)他的學(xué)生當(dāng)選，然而主席職位的權(quán)威未能壓住法拉第，1824年法拉第被選為皇家學(xué)會(huì)會(huì)員.法拉第并不計(jì)較恩師的忌妒心，他總是懷著敬慕的心情稱頌戴維的天才，講到在他早期的科學(xué)生涯中，恩師對(duì)他的啟迪和教誨.1825年，法拉第任皇家研究院院長(zhǎng). 19世紀(jì)20年代，歐洲的科學(xué)雜志已有不少，奧斯特的發(fā)現(xiàn)及其他有關(guān)電、磁方面的實(shí)驗(yàn)及理論研究成果傳播到了歐洲各國(guó).面對(duì)他國(guó)的科學(xué)成就，英國(guó)著名雜志《哲學(xué)年鑒》的主編不甘落后，于1821年特意邀請(qǐng)化學(xué)家戴維撰寫文章，綜述奧斯特發(fā)現(xiàn)以來一年中電磁學(xué)實(shí)驗(yàn)與理論的進(jìn)展概況.戴維把此事交給了法拉第.在收集資料的過程中，激起法拉第對(duì)電磁現(xiàn)象的極大熱情，這樣，法拉第就從其他研究課題逐漸轉(zhuǎn)向電磁學(xué)方面. 1821年9月3日，法拉第重復(fù)了奧斯特的實(shí)驗(yàn)，他將小磁針放在載流導(dǎo)線周圍的不同地方，發(fā)現(xiàn)小磁針的磁極受到電流作用后，有沿著環(huán)繞導(dǎo)線圓周旋轉(zhuǎn)的傾向，這比奧斯特的實(shí)驗(yàn)前進(jìn)了一步.據(jù)此法拉第還做出了一種磁旋轉(zhuǎn)器. 法拉第仔細(xì)分析了電流產(chǎn)生磁效應(yīng)的許多現(xiàn)象，他認(rèn)為電流與磁的作用應(yīng)有幾個(gè)方面，那就是電流對(duì)磁，電流對(duì)電流，磁對(duì)電流等.在他之前，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了電流產(chǎn)生磁的作用，電流對(duì)電流的作用.那么反過來，磁對(duì)電流有什么作用呢？法拉第認(rèn)為既然磁鐵可以使近旁的鐵塊帶磁，靜電荷可使近旁的導(dǎo)體感應(yīng)出電荷，那么電流也應(yīng)當(dāng)可以在近旁線圈中感應(yīng)出電流.1822年法拉第在日記中寫下了他的光輝思想：“磁能轉(zhuǎn)化成電.”從這一年起，法拉第對(duì)此進(jìn)行了系統(tǒng)的探索.開始，他簡(jiǎn)單地認(rèn)為用強(qiáng)磁鐵靠近導(dǎo)線，導(dǎo)線中就會(huì)產(chǎn)生穩(wěn)定的電流，或者在一根導(dǎo)線里通上電流，在附近的導(dǎo)線中也會(huì)產(chǎn)生穩(wěn)定的電流.按照這條思路，他進(jìn)行了下述實(shí)驗(yàn). 1825年，法拉第將一根導(dǎo)線放在另一根導(dǎo)線附近，前一根導(dǎo)線用一個(gè)電流計(jì)連接起來成為一個(gè)閉合回路，后面一個(gè)導(dǎo)線中通電流，觀測(cè)閉合回路，結(jié)果沒有任何電流顯示. 1828年，法拉第做了另一個(gè)實(shí)驗(yàn).用懸絲將絕緣棒中部拴住，使絕緣棒水平無扭轉(zhuǎn)地懸掛著，棒的一端固定了一個(gè)銅質(zhì)閉合線圈，另一端固定一個(gè)小的重物配重，將一塊條形強(qiáng)磁鐵的一極放入線圈內(nèi).法拉第認(rèn)為，如果磁鐵對(duì)線圈有作用，產(chǎn)生感生電流，這時(shí)若再將第二塊磁鐵靠近線圈，則線圈便會(huì)在水平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng).但任何轉(zhuǎn)動(dòng)也未觀察到.法拉第又用銅質(zhì)開環(huán)（銅環(huán)開個(gè)小口），又換鉑、銀材料做的閉環(huán)和開環(huán)重復(fù)做這一實(shí)驗(yàn)，仍然沒有觀察到感生電流的任何跡象. 法拉第做了近十年的“磁生電”實(shí)驗(yàn).在工作日記中寫下了大量的毫無結(jié)果的失敗記錄，厚厚的日記冊(cè)正是法拉第百折不回、堅(jiān)持奮斗的見證.他的日記也記載了科學(xué)預(yù)見的光輝思想.法拉第堅(jiān)持寫工作日記幾十年，直到生命的終結(jié)，這在科學(xué)史上也是少見的. 1831年8月，法拉第再一次回到“磁生電”這一重大課題上來.他以往的失敗，都在于只研究穩(wěn)定狀態(tài)效應(yīng)，思想上還沒有暫態(tài)（持續(xù)時(shí)間很短）效應(yīng)的概念，更沒有去創(chuàng)造條件展現(xiàn)暫態(tài)效應(yīng).這次法拉第在一只軟鐵環(huán)上繞以兩組線圈A、B，線圈B與一電流計(jì)連接，當(dāng)線圈A與電池組（由10只電池組成）相連的瞬間，電流計(jì)的指針偏轉(zhuǎn)了一下，然后又回到原來位置.當(dāng)線圈A與電池組斷開時(shí)，指針又偏轉(zhuǎn)了一下再回到原來指零位置.法拉第并沒有立刻領(lǐng)悟到這一現(xiàn)象的重要意義，只是開始意識(shí)到這是一種暫態(tài)效應(yīng). 同年9月24日，法拉第將兩根條形磁鐵支成三角形，即一端的N極和S極拼在一起成三角形頂角，下端S極和N極分開，其間安放繞在鐵質(zhì)圓柱體上的螺旋線圈，線圈與電流計(jì)相連.他觀察到，每當(dāng)線圈跟下端的N極或S極接觸一下，或脫離一下，電流計(jì)指針就偏轉(zhuǎn)一下.這時(shí)法拉第覺察到，這效應(yīng)和他8月份做的實(shí)驗(yàn)所顯示的效應(yīng)相似，他立即想到這就是尋找了將近十年的“磁生電”現(xiàn)象. 10月1日，法拉第滿懷信心地再次實(shí)驗(yàn).為使效應(yīng)更加明顯，他加大電流，加多繞組線圈.法拉第把長(zhǎng)約186 m用紗布包起來的銅導(dǎo)線繞在很寬的木線筒上，再在繞組線圈上絕緣地繞上同樣長(zhǎng)度的紗包銅線，將一個(gè)繞組和電流計(jì)連接，另一個(gè)繞組和100對(duì)金屬極組成的電池組連接.他發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電鍵K接通和斷開與電池的連接時(shí)，和另一繞組相連的電流計(jì)的指針明顯擺動(dòng).法拉第還觀察到，接通和斷開電鍵K，電流計(jì)指針做相反的擺動(dòng)，但最后都回到原來指零位置.至此，法拉第對(duì)磁產(chǎn)生電流的現(xiàn)象已確信無疑. 10月7日，法拉第采用另一種方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)：直接讓磁棒運(yùn)動(dòng)看能不能產(chǎn)生電流.仍然將一線圈與電流計(jì)相連，手持一永久磁棒迅速插入或抽出線圈，他發(fā)現(xiàn)電流計(jì)指針在插入或抽出的瞬間發(fā)生偏轉(zhuǎn)，然后回到原來指零位置.接著，法拉第做了幾十個(gè)類似的實(shí)驗(yàn)，他最終認(rèn)識(shí)了感生電流的暫態(tài)性質(zhì). 1831年11月24日，法拉第向英國(guó)皇家學(xué)會(huì)報(bào)告了電磁感應(yīng)的第一篇具有劃時(shí)代意義的論文.論文中明確地闡述了他解決電磁感應(yīng)問題的關(guān)鍵，概括了均能產(chǎn)生感應(yīng)電流的幾種情況：正在變化的電流；正在變化的磁場(chǎng)；穩(wěn)恒電流的運(yùn)動(dòng)；導(dǎo)體在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng).他將上述現(xiàn)象命名為“電磁感應(yīng)”.至此，法拉第做出了科學(xué)史上的偉大貢獻(xiàn)——揭示電磁感應(yīng)規(guī)律. 電磁感應(yīng)規(guī)律的揭示，也說明英國(guó)在電磁學(xué)研究領(lǐng)域里趕上和超過了法國(guó).自牛頓以來，英國(guó)對(duì)自然科學(xué)的基本規(guī)律和基礎(chǔ)理論的研究一直是很重視的，有成就的科學(xué)家受到社會(huì)的普遍尊敬并享有較高的社會(huì)地位.因此，并未在學(xué)校受過系統(tǒng)教育的法拉第能在英國(guó)取得如此卓著的成就，還是符合情理的事情. 當(dāng)然，在“磁生電”方面進(jìn)行探索的，并不是只有法拉第一個(gè)人.在俄國(guó)、法國(guó)、瑞士、美國(guó)都有人做過這方面的工作. 上一章提到，對(duì)奧斯特實(shí)驗(yàn)反應(yīng)最快的是法國(guó)的安培.他在十九世紀(jì)二十年代做了許多實(shí)驗(yàn)，也曾朦朧地意識(shí)到磁會(huì)產(chǎn)生電的效應(yīng)，但對(duì)此安培的信心并不是十分堅(jiān)定的.他的精力集中在磁性起源的分子電流說，以及他多年從事的試圖建立一個(gè)全面的電動(dòng)力學(xué)理論上.盡管安培對(duì)電磁學(xué)做出了許多貢獻(xiàn)，但在“磁生電”方面，他一直困于穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象，沒有考慮暫態(tài)效應(yīng).和法拉第的早期工作一樣，這些實(shí)驗(yàn)均未成功. 安培探索“磁生電”的一個(gè)有代表性的實(shí)驗(yàn)是：1821年，他用未扭轉(zhuǎn)的懸絲，把一個(gè)閉合銅質(zhì)圓線圈掛起來，并使它位于另一個(gè)稍大的銅質(zhì)多匝絕緣圓線圈的內(nèi)部，稍大的圓線圈固定在一個(gè)絕緣支架上.安培讓兩線圈處于同一豎直平面內(nèi).固定線圈通以大電流，安培認(rèn)為懸掛的線圈自然就會(huì)產(chǎn)生某種較弱的電流.這樣，懸掛線圈就相當(dāng)于一塊磁鐵（奧斯特的電流產(chǎn)生磁的效應(yīng)），只要用另外一塊強(qiáng)磁鐵靠近它，懸掛線圈就會(huì)產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)，但是安培得到的是否定結(jié)果，他把實(shí)驗(yàn)的失敗歸之于實(shí)驗(yàn)裝置的靈敏度不高，卻沒有從暫態(tài)效應(yīng)方面去考慮.前面說到的1828年法拉第的實(shí)驗(yàn)工作，實(shí)際上就是重復(fù)了安培做的這個(gè)代表性實(shí)驗(yàn). 僅在奧斯特宣布他的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)之后的三個(gè)月，法國(guó)物理學(xué)家菲涅耳就向法國(guó)科學(xué)院報(bào)告過，他將磁鐵放入螺旋線圈內(nèi)，使線圈中產(chǎn)生的電流把水分解了，他宣稱已成功地將磁轉(zhuǎn)化為電，但經(jīng)別人重復(fù)實(shí)驗(yàn)后，菲涅耳的結(jié)果并不真實(shí).但菲涅耳的實(shí)驗(yàn)思想曾使安培、科拉頓等人受到很大啟發(fā). 1822年初，年輕的瑞士物理學(xué)家德拉里夫（A.dela Rive,公元1801~1873）也曾利用日內(nèi)瓦的強(qiáng)大得多的磁鐵，幫助特地從法國(guó)去日內(nèi)瓦的安培，重復(fù)進(jìn)行了1821年安培在法國(guó)做的“磁生電”實(shí)驗(yàn). 關(guān)于這次合作進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，安培在1822年下半年曾寫過一份報(bào)告給法國(guó)科學(xué)院.安培在報(bào)告中宣稱，似乎觀察到“磁生電”：當(dāng)固定線圈中有電流通過時(shí)，懸掛線圈中就有感應(yīng)電流，大磁鐵對(duì)懸掛線圈的作用力使懸掛線圈偏轉(zhuǎn)，最后這作用力被懸絲的扭力所平衡.當(dāng)固定線圈中的電流斷開后，這一扭力使懸掛線圈回到它的原始位置. 按照這種解釋，“磁生電”是在穩(wěn)定狀態(tài)下產(chǎn)生并一直存在著的，這顯然是不可能的，即便安培在日內(nèi)瓦的實(shí)驗(yàn)中觀察到懸掛線圈曾有過偏轉(zhuǎn)產(chǎn)生，但他并沒有抓住“暫態(tài)”這一關(guān)鍵，真理從他手中溜走了. 有趣的是，德拉里夫的助手科拉頓（J.D.Colladon，公元1802~1893）幾乎就要得到真理，遺憾的是差了一點(diǎn)而未能得到.科拉頓對(duì)早先菲涅耳的實(shí)驗(yàn)很感興趣，企圖把一塊磁鐵放入螺旋線圈中，在運(yùn)動(dòng)中使線圈產(chǎn)生感生電流.科拉頓和菲涅耳不同，不是用分解水的方法觀測(cè)電流（這是觀測(cè)不到的），而是正確地用了一只靈敏電流計(jì).為了排除移動(dòng)磁鐵時(shí)操作動(dòng)作對(duì)電流計(jì)產(chǎn)生不相干的影響，科拉頓將這只電流計(jì)放到了另一間實(shí)驗(yàn)室里，用長(zhǎng)導(dǎo)線將電流計(jì)和螺旋線圈連接起來.可惜的是，沒有別人幫助，科拉頓獨(dú)自一個(gè)人從這間房跑到那間房去觀察電流計(jì)偏轉(zhuǎn)，當(dāng)然他得不到任何結(jié)果.因?yàn)橐苿?dòng)磁鐵時(shí)電流計(jì)指針擺動(dòng)他沒有看到，等到他走近電流計(jì)時(shí)，暫態(tài)效應(yīng)已經(jīng)消失，指針早已回到了指零位置. 美國(guó)物理學(xué)家亨利（J.Henry，公元1797~1878），在不知道安培和法拉第等人的工作的情況下，對(duì)電磁感應(yīng)現(xiàn)象做出了獨(dú)自的貢獻(xiàn).1827年他用紗包銅線在一鐵芯上繞了兩層，然后在銅線中通電，發(fā)現(xiàn)僅重3 kg的鐵芯竟然吸起了300公斤重的物體，亨利以此為開端，終于發(fā)現(xiàn)了自感現(xiàn)象.亨利把實(shí)驗(yàn)結(jié)果總結(jié)在《螺旋狀長(zhǎng)導(dǎo)線內(nèi)的電氣自感》一文中，后人為了紀(jì)念亨利，以他的名字定義了自感單位.據(jù)說，亨利甚至在法拉第前發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)規(guī)律，但他并沒有公開發(fā)表這個(gè)結(jié)果. 1832年，在俄國(guó)工作的物理學(xué)家愣次（H.F.E.Lenz，公元1804~1865），知道了法拉第研究“磁生電”取得了成功，很受鼓舞，也開始進(jìn)行一系列電磁實(shí)驗(yàn).1833年愣次把他的工作總結(jié)在《論動(dòng)電感應(yīng)引起的電流的方向》一文中.文中指出感應(yīng)電流的方向是這樣確定的：它所產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向與引起感應(yīng)的原磁場(chǎng)的變化方向相反.這是充實(shí)、完善電磁感應(yīng)規(guī)律所做的一大貢獻(xiàn).這就是后人稱謂的楞次定律. 愣次還和焦耳各自獨(dú)立地對(duì)確定電流熱效應(yīng)的規(guī)律做出了貢獻(xiàn)，這就是有名的焦耳－愣次定律：流過穩(wěn)定電流的導(dǎo)體所放出的熱量，與電流強(qiáng)度的平方、導(dǎo)體的電阻、通電時(shí)間這三項(xiàng)乘積成正比. 以上事實(shí)說明，揭示重大物理現(xiàn)象的規(guī)律，不能看做是個(gè)別天才的“靈感”所獲，而是人類認(rèn)識(shí)發(fā)展的歷史產(chǎn)物，是人類社會(huì)生產(chǎn)力和科學(xué)研究水平發(fā)展到一定階段的必然結(jié)果.當(dāng)然，杰出的科學(xué)家所起的帶頭和關(guān)鍵的作用，也是不能忽視的.拿電磁感應(yīng)規(guī)律來說，在法拉第工作的前后或同時(shí)，都有不少科學(xué)工作者作了大量的研究，也取得了不少成果.但就其規(guī)模、持續(xù)時(shí)間、對(duì)現(xiàn)象本質(zhì)的認(rèn)識(shí)及所取得的成果而言，都不及法拉第.從法拉第同代人安培的態(tài)度變化也能說明這個(gè)問題.1831年底，當(dāng)安培獲悉法拉第的成果但尚未詳細(xì)了解成果的細(xì)節(jié)內(nèi)容時(shí)，他就急切地、不慎重地發(fā)表了一篇論文，企圖用他的所謂“電磁感應(yīng)”來解釋他在1821年~1822年的實(shí)驗(yàn).安培的言下之意，在法拉第之前，他已經(jīng)早就認(rèn)識(shí)了電磁感應(yīng).其實(shí)，他的這篇急切之作并不比1822年寫給法國(guó)科學(xué)院的報(bào)告有絲毫進(jìn)步，照舊沒有把握住感生電流是“瞬態(tài)效應(yīng)”這個(gè)現(xiàn)象的本質(zhì).一時(shí)間，在兩人長(zhǎng)期友好的交往中產(chǎn)生了指責(zé)和誤會(huì).當(dāng)激動(dòng)平靜下來，安培從頭至尾認(rèn)真研究了法拉第成果的細(xì)節(jié)內(nèi)容，這才恍然大悟.他隨即寫信給法拉第，承認(rèn)自己并沒有發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)，以及失敗的本質(zhì)原因：電磁感應(yīng)是瞬態(tài)效應(yīng). 由于電磁感應(yīng)規(guī)律的發(fā)現(xiàn)，后來人們就制造出發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)、變壓器等電機(jī)電器設(shè)備，使交流電的利用變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，逐漸開創(chuàng)了人類社會(huì)的電氣化時(shí)代. 不論是當(dāng)時(shí)還是后人，把發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)定律的主要功績(jī)歸功于法拉第，這是完全符合歷史事實(shí)的.更為重要的是，法拉第比別人具有更深邃的物理直覺洞察力.他提出了“場(chǎng)”的概念，從本質(zhì)上把電磁學(xué)的研究推進(jìn)了一大步，為建立系統(tǒng)、完整的電磁場(chǎng)理論打開了大門.