对物理教科书中一道习题的拓展讨论

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  人教版普通高中课程标准实验教科书《物理》选修3-2第四章第4节“楞次定律”“问题与练习”中的第1题:
  超导体的电阻为零,如果闭合的超导电路内有电流,这个电流将不产生焦耳热.现有一个固定的超导圆环如图1甲所示,此时圆环中没有电流.在其右侧放一个条形永磁体(图1乙),由于电磁感应,在超导环中产生了感应电流,电流的方向如何?
  
  4.感应电流实际上是因感应电动势的产生而产生,感应电流的方向可以由感应电动势的方向,更本质地讲是由非静电力的方向决定,这比楞次定律更为基本.对于问题(2),永磁铁进入圆环的过程,穿过圆环的磁场方向向左并增强,根据麦克斯韦电磁理论,变化的磁场在空间激发出感应电场,从左侧看,感应电场应为顺时针方向,如图3所示.圆环中的自由电荷在感应电场力作用下由静止开始定向移动,从而形成如图2所示顺时针方向的感应电流(结果与楞次定律的方法一致).而从能量转化角度看,永磁铁进入圆环过程中,圆环中的电流顺时针方向,圆环与永磁铁之间存在排斥力的作用,排斥力对磁铁做负功,从而永磁铁将把机械能转变成超导圆环的电能,又由于超导材料的零电阻特性,这个电能不会转化为内能,其电能将不断积累,亦即自由电荷将不断地加速运动.所以在永磁铁的移入过程中,圆环中感应电流强度是一直增加的,与永磁铁的运动快慢无关.
  5.对于问题(3),永磁铁越过超导圆环,继续向左运动过程,如图4所示.由于穿过圆环的磁场方向向左并减弱,同样,根据麦克斯韦电磁理论,变化的磁场在空间激发出感应电场,从左侧看,感应电场应为逆时针方向.于是超导圆环中的自由电荷将受到与原来方向相反的感应电场力.但由于自由电荷已经过了一段时间的加速,所以并不会立即反向移动,而是沿原方向做减速运动,因此此过程圆环中的电流方向仍然是顺时针方向,只不过强度逐渐减小而已.从这里可以看出,这时超导圆环中电流的方向与环中感应电动势的方向相反!这也是超导材料才具有的一种特殊情形.再从能量转化的角度看,由于圆环中的电流仍然是顺时针方向,圆环与永磁铁之间产生排斥力的作用,排斥力对磁铁做正功,即超导圆环中储存的电能将减少,并且不难理解,此过程感应电流的强度是一直减小的.
  
  通过以上分析可知,本题如果机械地运用楞次定律、法拉第电磁感应定律和欧姆定律肯定会出错,只有深刻理解这些规律的实质,了解其适用条件,才能得到正确的结果.相对老教材,新教材中的习题不单单是对书本知识的巩固训练,甚至还是教材内容的补充和延伸.综观每年高考,都有大量的考题就源于书本,由书本习题改编而成,因此引导学生重视书本习题,领悟编者的设计意图,挖掘蕴藏其中的隐含问题,无论是对加深物理概念和规律的理解,还是面对各种考试都大有裨益.
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