著名實(shí)驗(yàn)-阿拉果圓盤原理探源

著名實(shí)驗(yàn)-----阿拉果圓盤原理探源一、認(rèn)識阿拉果圓盤實(shí)驗(yàn)1822年，法國科學(xué)家阿拉果(D.F.G.Arago，1786-1853年)和德國物理學(xué)家馮·洪堡(A.vonHumboldt,1769-1859年)在英國格林威治(Greenwich)的一座小山上測量地磁強(qiáng)度時偶然發(fā)現(xiàn)，放在銅底座上的小磁針的擺動，比孤立放置的磁針擺動的幅度衰減要快，而擺動的周期卻沒有明顯的改變。阿拉果據(jù)此推測，既然靜止的銅片能夠影響運(yùn)動的磁針,那么,運(yùn)動的銅片可能會對靜止的磁針也產(chǎn)生作用。1824年,阿拉果根據(jù)這一現(xiàn)象又做了一個實(shí)驗(yàn),將一個銅圓盤裝在一根垂直軸上，使其可以水平轉(zhuǎn)動，在銅盤正上方懸吊一根磁針，所用細(xì)線質(zhì)地柔軟，即使磁針旋轉(zhuǎn)許多圈，懸線都不會產(chǎn)生明顯的扭力來阻止磁針的旋轉(zhuǎn).阿拉果通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)銅盤旋轉(zhuǎn)時，磁針即跟著一起轉(zhuǎn)動，但是時間上稍滯后一些；反之，當(dāng)磁針旋轉(zhuǎn)時,銅盤也跟著旋轉(zhuǎn)，同樣時間上稍有滯后.這個現(xiàn)象就是物理學(xué)史上著名的阿拉果銅盤實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象”。阿拉果由于發(fā)現(xiàn)這一現(xiàn)象獲得1825年英國皇家學(xué)會的科普勒獎?wù)?CopleyMedal）

二、法拉第的解釋通過實(shí)驗(yàn)，法拉第事實(shí)上已經(jīng)揭示了阿拉果銅盤實(shí)驗(yàn)的本質(zhì)所在，那就是磁體和導(dǎo)體之間的相對運(yùn)動在導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生出了感應(yīng)電流，而感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁力又會與磁體的磁力互相作用從而使得銅盤或磁體轉(zhuǎn)動。對阿拉果銅盤實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的正確解釋，無疑是法拉第電磁感應(yīng)理論的一個巨大勝利。正是由于認(rèn)識到阿拉果實(shí)驗(yàn)中所用的銅盤的作用穩(wěn)恒感應(yīng)電流的實(shí)驗(yàn)裝置法拉第才設(shè)計了產(chǎn)生獲得了穩(wěn)恒的感應(yīng)電流的第一臺發(fā)電機(jī)。三、高考試題關(guān)聯(lián)2015年普通高等學(xué)校招生全國統(tǒng)一考試(普通高中新課程標(biāo)準(zhǔn)Ⅰ卷）將本實(shí)驗(yàn)作為出題背景考查學(xué)生對電磁感應(yīng)規(guī)律的理解和拓展應(yīng)用能力。1、該年理科綜合能力測試第19題如下：1824年，法國科學(xué)家阿拉果完成了著名的“圓盤實(shí)驗(yàn)”，實(shí)驗(yàn)中將一銅圓盤水平放置，在其中心正上方用柔軟細(xì)線懸掛一枚可以自由旋轉(zhuǎn)的磁針，如圖1所示，實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)圓盤在磁針的磁場中繞過圓盤中心的豎直軸旋轉(zhuǎn)時，磁針也隨著一起轉(zhuǎn)動起來，但略有滯后，下列說法正確的是（）。A.圓盤上產(chǎn)生了感應(yīng)電動勢B.圓盤內(nèi)的感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場導(dǎo)致磁針轉(zhuǎn)動C.在圓盤轉(zhuǎn)動的過程中，磁針的磁場穿過整個圓盤的磁通量發(fā)生了變化D.圓盤中的自由電子隨圓盤一起運(yùn)動形成了電流，此電流產(chǎn)生的磁場導(dǎo)致磁針轉(zhuǎn)動2、試題解析：全國高考命題專家組對該試題給出的參考答案是“A”和“B”兩個選項(xiàng)。當(dāng)銅圓盤在小磁針的磁場中轉(zhuǎn)動時，半徑方向的金屬條在切割磁感線，發(fā)生電磁感應(yīng)現(xiàn)象，在銅圓盤的圓心和邊緣之間產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，選項(xiàng)A正確。圓盤在徑向的輻條切割磁感線的過程中，內(nèi)部距離圓心遠(yuǎn)近不同的點(diǎn)電勢不等而形成感應(yīng)電流即渦流（根據(jù)圓盤轉(zhuǎn)向的不同以及磁極的不同，感應(yīng)電流從軸心流向邊緣或從邊緣流向軸心），而感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁力又會與小磁針的磁力相互作用，從而使小磁針一起轉(zhuǎn)動起來，故選項(xiàng)B正確，選項(xiàng)D錯誤。圓盤轉(zhuǎn)動過程中，圓盤位置、圓盤面積和磁場都沒有發(fā)生變化，故磁場穿過整個圓盤的磁通量沒有變化，選項(xiàng)C錯誤。故答案為AB。3、原理分析磁針的磁場穿過整個圓盤的磁通量不發(fā)生變化，為什么圓盤的局部區(qū)域的磁通量又會發(fā)生變化？磁針的磁場是非勻強(qiáng)磁場，但其磁感線的分布具有空間的對稱性。實(shí)驗(yàn)中將一銅圓盤水平放置，在其中心正上方懸掛一枚磁針，故銅圓盤中的磁通量為零。當(dāng)銅圓盤轉(zhuǎn)動時，磁針的磁場穿過整個圓盤的磁通量不發(fā)生變化，但圓盤的局部區(qū)域的磁通量始終變化（時而增大時而減?。?，故圓盤的局部區(qū)域存在感應(yīng)電流（即渦流）。四、代表期刊典型分析：1、劉保華老師在《物理通報》的解釋首先，將題中原圖改為俯視，另外，小磁針Ｎ極Ｓ極正下方磁感應(yīng)強(qiáng)度只考慮垂直盤面的分量；根據(jù)小磁針周圍磁場的分布，在磁針投影（Oa與Ｏb代表Ｎ極和Ｓ極投影位置）正下方磁感應(yīng)強(qiáng)度認(rèn)為最強(qiáng)，盤面上從投影位置沿兩邊，磁感應(yīng)強(qiáng)度逐漸減弱，則靜止時盤面上的磁場分布大致下圖所示黃紹書老師在《物理通報》的解釋阿拉果銅盤實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生的是徑向電流，不是也不可能是渦電流．徑向感應(yīng)電流是導(dǎo)致磁針隨圓盤轉(zhuǎn)動的根本原因。3、郭芳俠老師在《物理教學(xué)》的解釋當(dāng)圓盤剛剛發(fā)生逆時針轉(zhuǎn)動時，由楞次定律“感應(yīng)電流的效果總是反抗引起感應(yīng)電流的原因”可知，微元1相當(dāng)于S極垂直紙面向外的微小磁鐵將吸引磁針N極使其沿逆時針方向轉(zhuǎn)動，從而阻礙銅圓盤、磁針之間的相對運(yùn)動;微元3相當(dāng)于N極垂直紙面向外的微小磁鐵,其作用也會使磁針沿逆時針方向轉(zhuǎn)動,從而阻礙銅圓盤、磁針之間的相對運(yùn)動。同理可知,微元2相當(dāng)于S極垂直紙面向外的微小磁鐵;微元4相當(dāng)于N極垂直紙面向外的微小磁鐵。就圓盤左半部分而言，各處微元等效的小磁鐵磁極方向均是S極垂直紙面向外由右手定則可知左半部分的宏觀渦電流應(yīng)是順時針方向。同理，圓盤右半部分的宏觀渦電流是逆時針方向?？紤]到盤的形狀，推測圓盤上的宏觀渦電流分布情況大致如圖3中的虛線所示。此時研究與銅圓盤同心的圓環(huán)回路，回路上左半部的渦電流與右半部的渦電流大小相等、方向相反，總的渦電流為零,與前面的分析一致。就圓盤左半部分而言，各處微元等效的小磁鐵磁極方向均是S極垂直紙面向外由右手定則可知左半部分的宏觀渦電流應(yīng)是順時針方向。同理，圓盤右半部分的宏觀渦電流是逆時針方向。考慮到盤的形狀，推測圓盤上的宏觀渦電流分布情況大致如圖3中的虛線所示。此時研究與銅圓盤同心的圓環(huán)回路，回路上左半部的渦電流與右半部的渦電流大小相等、方向相反，總的渦電流為零,與前面的分析一致。五、教學(xué)探索：1、渦流的產(chǎn)生是利用感生電動勢解釋還是用動生電動勢解釋更有利于學(xué)生理解？當(dāng)銅圓盤在小磁針的磁場中轉(zhuǎn)動時，半徑方向的金屬條在切割磁感線，發(fā)生電磁感應(yīng)現(xiàn)象，在銅圓盤的圓心和邊緣之間產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，圓盤在徑向的輻條切割磁感線過程中，內(nèi)部距離圓心遠(yuǎn)近不同的點(diǎn)電勢不等而形成感應(yīng)電流即渦流（根據(jù)圓盤轉(zhuǎn)向的不同以及磁極的不同，感應(yīng)電流從軸心流向邊緣或從邊緣流向軸心），而感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁力又會與小磁針的磁力相互作用，從而使小磁針一起轉(zhuǎn)動起來。銅圓盤上存在許多小的閉合回路，當(dāng)圓盤轉(zhuǎn)動時，穿過小的閉合回路的磁通量發(fā)生變化，回路中產(chǎn)生感應(yīng)電流。由原題可知，在圓盤左半部分，當(dāng)穿過小的閉合回路的磁通量增大時，回路中產(chǎn)生逆時針的感應(yīng)電流，此時感應(yīng)電流的磁場對小磁針的N極施加斥力作用；當(dāng)穿過小的閉合回路的磁通量小時，回路中產(chǎn)生順時針感應(yīng)電流，此時感應(yīng)電流的磁場對小磁針的N極施加引力作用；在圓盤右半部分；當(dāng)穿過小的閉合回路的磁通量增大時，回路中產(chǎn)生順時針的感應(yīng)電流，此時感應(yīng)電流的磁場對小磁針的S極施加斥力作用；當(dāng)穿過小的閉合回路的磁通量減小時，回路中產(chǎn)生逆時針感應(yīng)電流，此時感應(yīng)電流的磁場對小磁針的S極施加引力作用，故磁針會隨圓盤一起轉(zhuǎn)動。動生電動勢是感生電動勢在面積變化情形下推導(dǎo)的切割公式，關(guān)于渦流的產(chǎn)生和特點(diǎn)利用楞次定律來解釋更容易理解。2、磁針隨著圓盤一起轉(zhuǎn)動起來，磁針的角速度和圓盤的角速度相等嗎？圓盤在外力作用下轉(zhuǎn)動時，磁針隨著圓盤一起轉(zhuǎn)動。磁針的角速度和圓盤的角速度若相等，則兩者保持同步轉(zhuǎn)動，穿過小的閉合回路的磁通量也不會發(fā)生變化，此時無感應(yīng)電流產(chǎn)生，這與原題的實(shí)驗(yàn)情景和實(shí)驗(yàn)結(jié)論不符，故磁針的角速度始終小于圓盤的角速度。當(dāng)圓盤的角速度逐漸增大時，磁針的角速度也會逐漸增大，但磁針的角速度始終小于圓盤的角速度。3、怎樣理解“略有滯后”？磁針的角速度始終小于圓盤的角速度，感應(yīng)電流阻礙其相對運(yùn)動，但抗拒不了相對運(yùn)動，故磁針會隨圓盤一起轉(zhuǎn)動，但略有滯后?！奥杂袦蟆笔菫榱嗽趫A盤上產(chǎn)生渦流，該渦流對應(yīng)的磁場總是要阻礙引起渦流的磁場磁通量的變化，即阻礙磁針與圓盤的相對運(yùn)動，其效果使其相對運(yùn)動減小。“略有滯后”也體現(xiàn)為渦流的機(jī)械效應(yīng)，對磁針而言表現(xiàn)為電磁驅(qū)動，對圓盤而言表現(xiàn)為電磁阻尼。不論電磁驅(qū)動還是電磁阻尼，都是電磁感應(yīng)現(xiàn)象而產(chǎn)生的，故磁針會隨圓盤一起轉(zhuǎn)動，但略有滯后。4、圓盤中的自由電子隨圓盤一起運(yùn)動是否會形成電流，此電流產(chǎn)生的磁場是否會導(dǎo)致磁針在水平方向內(nèi)轉(zhuǎn)動？《中學(xué)物理教學(xué)參考》第45卷2016年第1～2月刊61頁的解析中提出：圓盤中的自由電子隨圓盤一起運(yùn)動形成環(huán)形電流，該電流的磁場方向通過圓盤的中心方向豎直向下，該磁場對小磁針在水平方向內(nèi)的旋轉(zhuǎn)沒有影響。其實(shí)圓盤中除了存在自由電子，