第 2 章 第 1 节 科学探究：感应电流的方向

如果将螺线管两端与电流计连接起来，形成回路，当在螺线管一端来回插入或拔出条形磁铁时，我们会看见电流计的指针时而左偏，时而右偏，这说明由此产生的感应电流方向有变化。那么，感应电流方向与哪些因素有关？感应电流方向遵循怎样的规律？本节我们将通过实验探究，总结出感应电流方向的规律。

1．探究影响感应电流方向的因素

实验目的

（1）探究感应电流方向与哪些因素有关。

（2）学习利用电流计判断感应电流方向的方法。

实验器材

电流计、干电池、开关、保护电阻、导线、螺线管、条形磁铁。

安全警示

使用电流计时，注意不要超过它的量程，以免损坏电流计。

实验原理与设计

将磁铁的不同磁极插入、拔出螺线管，观察感应电流方向的变化。通过分析感应电流的方向与磁铁的磁场方向、通过线圈的磁通量的变化之间的关系，探究影响感应电流方向的因素。

实验步骤

（1）先明确电流计指针的偏转方向与通过电流计的电流方向的关系。

（2）观察螺线管上漆包线的绕向。

（3）将电流计与螺线管按图 2-1 连接好，依次完成以下实验操作，记录观察到的电流计指针偏转情况，填入表中。

① 把条形磁铁的 N 极插入螺线管，稍作停留，再从螺线管中拔出；

② 把条形磁铁的 S 极插入螺线管，稍作停留，再从螺线管中拔出。

数据分析

将实验中获得的信息填入下表中。请根据实验信息，形成结论。

实验结论

请写出实验结论。

讨论

若磁铁不动、螺线管动，实验结果如何？若磁铁与螺线管一起动，并保持相对静止，实验结果又如何？

素养提升

能分析物理现象，提出并准确表述可探究的物理问题，能进行合理假设；能在他人帮助下制订实验方案，使用螺线管等器材获得信息，能将收集的信息填入表格；能分析表格中的实验信息，归纳总结，形成与实验目的相关的结论；能撰写规范的实验报告，在报告中能呈现数据分析过程及实验结论，能根据实验中的问题提出改进措施。

注意提升提出问题能力、猜想假设能力及分析论证能力。

——科学探究

迷你实验室

探索感应电流的方向

将螺线管、磁铁、发光二极管等，连接成如图 2-2 所示的电路，探索感应电流的方向与磁铁的磁场方向、磁通量变化之间的关系。

图 2-2 实验电路示意图

2．楞次定律

在上面的实验探究中，当条形磁铁的任一极移近或插入闭合线圈（螺线管）时，穿过该线圈的磁通量增加，使线圈中产生感应电流，由感应电流激发的磁场 B' 的方向总是与条形磁铁的磁场 B 的方向相反，从而阻碍了线圈中磁通量的增加［ 图 2-3（a）］。反之，当条形磁铁的任一极拔出或离开闭合线圈时，穿过该线圈的磁通量减少，使线圈中产生感应电流，由感应电流激发的磁场 B' 的方向总是与条形磁铁的磁场 B 的方向相同，从而阻碍了线圈中磁通量的减少［ 图 2-3（b）］。

图 2-3 磁极插入和拔出时 B′ 与 B 方向的示意图

俄国物理学家楞次（H. Lenz，1804—1865）在总结了大量电磁感应实验结果的基础上，发现并提出了关于感应电流方向的规律：感应电流的磁场总要阻碍引起感应电流的磁通量的变化。这就是楞次定律（Lenz law）。

楞次定律还可这样理解：当磁铁的 N 极移近导体线圈的上端时，由感应电流激发的磁场使线圈的上端也是 N 极，因为同名磁极相互排斥，所以阻碍磁铁相对线圈向下的运动；而当磁铁的 N 极离开导体线圈时，由感应电流激发的磁场使线圈的上端是 S 极，因为异名磁极相互吸引，所以阻碍磁铁相对线圈向上的运动。

从能量转化和守恒的角度来看，把磁体移近线圈时，外力要克服磁体和线圈之间的排斥力做功，使外界其他形式的能量转化为电能；磁体离开线圈时，外力则要克服磁体和线圈之间的吸引力做功，也使外界其他形式的能量转化为电能。在这两种情况下，总能量都是守恒的。

迷你实验室

如图 2-4 所示，将内径一样的铝管（或铜管）和塑料管竖直放置在垫有毛巾的桌面上方，从同一高度同时释放两块磁性很强的磁体，一块从铝管内下落，另一块从塑料管内下落。进入铝管的磁体将会滞后一段时间落到桌面。

图 2-4 实验示意图

做一做，并说明这是为什么。

例题

如图 2-5 所示，两平行金属导轨 P、Q 水平放置在匀强磁场中，磁场方向垂直于轨道平面，在两导轨之间连接一电阻 R。当一根垂直于导轨的导体棒 ab 沿着导轨向右滑动时，棒 ab 中感应电流的方向是怎样的？请说明理由。

分析

已知磁场方向和棒 ab 运动方向，可推知穿过闭合回路的磁通量变化情况；根据楞次定律，可判断出感应电流产生的磁场的方向；运用安培定则，即可判断出闭合回路中感应电流的方向。

解

棒 ab 中感应电流的方向由 b 流向 a。已知原磁场的方向垂直于纸面向里，当棒 ab 向右滑动时，穿过闭合回路 abPQ 的磁通量增加。根据楞次定律可知，电路中产生的感应电流的磁场要阻碍该闭合回路中磁通量的增加，因此回路中感应电流的磁场方向与原磁场方向相反，即垂直于纸面向外。由安培定则可知，感应电流沿逆时针方向流动。

讨论

在图 2-5 中，若棒 ab 固定不动，垂直于纸面的磁场的磁感应强度增大，试分析闭合回路中感应电流的方向。

策略提炼

运用楞次定律判断感应电流方向的步骤一般为：首先明确闭合回路中引起感应电流的磁场（原磁场）的方向；然后判断穿过闭合回路原磁场磁通量的变化；再根据楞次定律判断感应电流的磁场方向；最后运用安培定则，由感应电流的磁场方向，判断出感应电流的方向。

迁移

若棒 ab 要保持向右做匀速直线运动，外力的方向应指向哪一边？为什么？请你从能量转化和守恒的角度进行解释。

3．右手定则

若磁通量的变化是由导体切割磁感线引起的，则感应电流的方向、磁感线方向、导体运动方向三者之间有如下关系：伸开右手，让拇指与其余四指垂直，且都与手掌处于同一平面内，让磁感线垂直穿过手心，使拇指指向导体运动的方向，其余四指所指的方向就是感应电流的方向（图 2-6）。这就是右手定则（right-hand rule）。

右手定则可视为楞次定律在导体切割磁感线这种特殊情况下的应用。在上面的例题中，当导体 ab 向右滑动时，运用右手定则，也可判断出导体 ab 中感应电流的方向是由 b 流向 a，与用楞次定律判断的结果完全相同。

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楞次

楞次（图 2-7），俄国物理学家，1834 年被选为圣彼得堡科学院院士。曾担任圣彼得堡大学数学物理系主任。

1833 年，楞次总结了安培、法拉第等人的研究成果，在圣彼得堡科学院宣读了《关于用电动力学方法决定感应电流方向》的论文，提出了确定感应电流方向的定律——楞次定律。1843 年，楞次在不知道焦耳已经发现电流热效应定律（1841 年）的情况下，独立发现了这一定律。他用酒精作为传热介质并改善了实验方法，提高了实验的精度。所以，焦耳定律又被称为焦耳—楞次定律。

另外，楞次还研究并定量地比较了不同金属的电阻率及电阻率与温度间的关系。在电工技术、地球物理与电化学等方面，他也做了大量的工作。

节练习

1．请撰写“探究影响感应电流方向的因素”的实验报告。注意在报告中呈现数据分析过程及实验结论，并根据实验中的问题提出改进措施。

参考解答：略

2．一平面线圈用细杆悬于 P 点，开始时细杆处于水平位置，释放后让它在如图所示的匀强磁场中运动。已知线圈平面始终与纸面垂直，当线圈第一次通过位置 Ⅰ 和位置 Ⅱ 时，顺着磁场的方向看去，线圈中感应电流的方向是怎样的？

参考解答：先逆时针方向，再顺时针方向。

3．法拉第圆盘发电机如图所示。半径为 r 的导体圆盘绕竖直轴以角速度 ω 旋转，匀强磁场 B 竖直向上，两电刷分别与圆盘中心轴和边缘接触，电刷间接有阻值为 R 的电阻。分析该发电机的工作原理，并确定流过电阻的电流方向。

参考解答：两个电刷、竖直轴、导体 圆盘、导线、电阻构成一个闭合回路，导体圆盘可以看成是以中心向边缘的许多辐射状的导体棒。由于导体圆盘处于磁场中，当其旋转时，可看作导体棒在切割磁感线，相当于一个电源，闭合回路有感应电流产生。由右手定则可判断流过 R 的电流方向为由 b 到 a。

4．某人拟运用电磁感应的知识，通过实验寻找磁单极子。该实验仪器的主要部分是由超导体制成的如图所示的线圈。若有一磁单极子从上往下穿过超导线圈，则在超导线圈中将产生感应电流。关于感应电流方向，下列说法正确的是

A．磁单极子穿过超导线圈的过程中，线圈中感应电流的方向要变化

B．N 磁单极子与 S 磁单极子分别穿过超导线圈的过程中，线圈中感应电流的方向相同

C．磁单极子穿过超导线圈的过程中，线圈中感应电流的方向不变

D．磁单极子穿过超导线圈的过程中，从上向下看，线圈中感应电流的方向始终为顺时针

参考解答：C

5．扫描隧道显微镜（STM）可用来探测样品表面原子尺寸上的形貌。如图所示，为了有效隔离外界振动对 STM 的扰动，在圆底盘周边沿其径向对称地安装若干对紫铜薄板，并施加磁场来快速衰减其微小振动。无扰动时，按下列四种方案对紫铜薄板施加恒磁场。出现扰动后，对于紫铜薄板上下及左右振动的衰减最有效的方案是

参考解答：A

6．某同学利用电磁驱动原理研究弹射问题。如图所示，当固定线圈上突然通过直流电流时，线圈左侧的金属环被弹射出去。下列说法正确的是

A．闭合开关 S 的瞬间，从右侧看，环中产生沿逆时针方向的感应电流

B．若金属环固定，开关闭合瞬间，环将有扩张趋势

C．若将金属环置于线圈的右侧，环将向右弹射

D．若将电池正、负极调换，金属环不能向左弹射

参考解答：C

7．如图所示，在一根较长的铁钉上，用漆包线绕出两个线圈 A 和 B。将线圈 B 的两端与漆包线 CD 相连，使 CD 平放在静止的小磁针的正上方，与小磁针平行。试判断开关闭合的瞬间，小磁针 N 极的偏转情况，并用实验检验你的判断。

参考解答：向纸内偏转。

发布时间：2022/8/28 下午4:31:05  阅读次数：3734