在現(xiàn)行高中物理教材中,導(dǎo)體切割磁感線時(shí)電動(dòng)勢的計(jì)算公式E=BLv是作為法拉第電磁感應(yīng)定律的一個(gè)推論給出的,兩者應(yīng)是相輔相承、相互統(tǒng)一的,但學(xué)生常常會(huì)問到一些看似矛盾的電磁感應(yīng)現(xiàn)象。
下面是2007年高考北京理綜物理部分的一道題目:
題目:用密度為d、電阻率為ρ、橫截面積為A的薄金屬條制成邊長為L的閉合正方形框ab b′a′。如圖所示,金屬方框水平放在磁極的狹縫間,方框平面與磁場方向平行。設(shè)勻強(qiáng)磁場僅存在于相對磁極之間,其他地方的磁場忽略不計(jì)?烧J(rèn)為方框的aa′邊和bb′邊都處在磁極之間,極間磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B。方框從靜止開始釋放,其平面在下落過程中保持水平(不計(jì)空氣阻力),求方框下落的最大速度vm(設(shè)磁場區(qū)域在數(shù)值方向足夠長)。
學(xué)生對本題提出的問題:
既然在下落過程中,金屬方框平面始終與磁感線方向平線,那框內(nèi)磁通量就始終為零,并不發(fā)生變化。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律,框內(nèi)不會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢,進(jìn)而也不會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流。
但從另一角度,方框在下落過程中,磁場中的兩個(gè)邊在切割磁感線,都會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢,而且兩邊產(chǎn)生的電動(dòng)勢是同向串聯(lián)的,故回路中該有電動(dòng)勢,從而一定有感應(yīng)電流。
那出現(xiàn)這一矛盾的原因在哪呢?
要解決這一矛盾,要畫出磁體產(chǎn)生的全部磁感線分布圖。
由圖1c可看出,框在下落過程中,框內(nèi)是有磁通量的,而且在題目所述的理想情況下隨高度是均勻變化的。故無論從導(dǎo)體切割磁感線的角度還是從磁通量變化的角度,框內(nèi)都有電動(dòng)勢,結(jié)論是一致的。
和上面類似的“矛盾”還存在于另一道2012江蘇物理高考題中:
題目:某興趣小組設(shè)計(jì)了一種發(fā)電裝置,如圖2a所示。在磁極和圓柱狀鐵芯之間形成的兩磁場區(qū)域的圓心角α均為4π/9,磁場均沿半徑方向。匝數(shù)為N 的矩形線圈abcd 的邊長ab =cd =l、bc =ad =2l。線圈以角速度ω繞中心軸勻速轉(zhuǎn)動(dòng),bc和ad 邊同時(shí)進(jìn)入磁場。在磁場中,兩條邊所經(jīng)過處的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小均為B、方向始終與兩邊的運(yùn)動(dòng)方向垂直。線圈的總電阻為r,外接電阻為R。求:
(1)線圈切割磁感線時(shí),感應(yīng)電動(dòng)勢的大小Em;
(2)線圈切割磁感線時(shí),bc 邊所受安培力的大小F;
(3)外接電阻上電流的有效值I。
部分學(xué)生對磁極間磁場的分布產(chǎn)生了興趣,同時(shí)提出了疑問:
從正對讀者的角度看磁極間的磁場是輻射對稱分布的(如圖2b),從導(dǎo)體切割磁感線的角度,用E=Blv就可算出電動(dòng)勢;但若從磁通量變化的角度,線圈平面與磁場方向平行,線圈中磁通量看起來并沒有改變(總為零),如何會(huì)有電動(dòng)勢呢?
奧秘就在鐵芯內(nèi)部磁場的分布上。鐵芯內(nèi)部磁場的分布大致如圖 2c所示,當(dāng)線圈轉(zhuǎn)到磁場中某一位置時(shí),線圈內(nèi)部是有磁通量的,而且磁通量隨線圈運(yùn)動(dòng)而發(fā)生變化。在理想情況下磁通量隨時(shí)間均勻變化,故而產(chǎn)生的是不變的電動(dòng)勢。這一點(diǎn)與利用E=Blv算出的電動(dòng)勢是一致的。
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