高考物理 楞次定律知识和经典试题解析

在必修3《13.3

电磁感应现象及其应用》学习中，我们知道电磁感应现象是指“穿过回路的磁通量发生变化，在回路中产生了感应电流”的现象。对电磁感应的深入研究是应用电磁感应现象的前提，感应电流的方向如何判断、大小与哪些因素有关？如何从微观角度解释电磁感应现象的本质？这就是选择性必修2第二章中我们将要学习的主要内容。问题1：关于电磁感应现象中感应电流的方向，我们有哪些猜想？答：在探究电磁感应现象发生的条件时，我们做了如图所示的几个实验，并根据实验现象总结得出：当穿过闭合回路的磁通量发生变化时，就会在回路中产生感应电流。根据电磁感应现象发生的条件，关于感应电流的方向，我们可以提出以下猜想：①电磁感应现象是在磁场中发生的“磁生电”的现象，磁场是有方向的，因此感应电流的方向可能与磁场的方向有关。②发生电磁感应现象时，回路的磁通量一定要发生变化。磁通量的变化有两种可能：增加或者减少。因此感应电流的方向可能与磁通量的变化（即磁通量增加还是减少）有关。问题2：如何验证猜想是否科学？答：验证猜想是否科学最直接的方法就是进行实验。如图所示，闭合回路的部分导体做切割磁感线运动。①通过改变N

极和S

极的位置可以改变磁场的方向，实验发现：当磁场的方向发生变化时，回路中感应电流的方向也发生变化。②改变导体的运动方向就可以改变磁通量的变化情况，实验发现：当导体运动方向发生变化时，回路中感应电流的方向也发生变化。如图所示，在发生电磁感应现象的以上两个实验中，可以发现同样的现象：左边的实验中将条形磁铁放入线圈和从线圈中拔出时，灵敏电流计指针偏转的方向相反；改变放入线圈或者从线圈中拿出的条形磁铁的极性，回路中电流的方向发生了变化。右边的实验中，开关闭合和断开、改变滑动变阻器滑片的移动方向，将铁芯从线圈中拿出或者放入线圈中，对调电池的极性等操作都可以观察到回路中电流的方向发生了变化。以上几个实验的实验现象都证明了我们的猜想是科学的：感应电流的方向与磁场的方向和磁通量的变化有关。问题3：如何通过实验，发现判断感应电流方向的规律？答：问题2中我们已经得出了结论：感应电流的方向与磁场的方向和磁通量的变化有关。我们可以深入分析上面三个实验中的实验现象，尝试寻找判断感应电流方向的规律。三个实验中，如图所示的实验装置中磁场的方向最明了、磁通量变化的情况也最容易判断，因此我们选择先分析这个实验来探究规律。

探究感应电流的方向与磁场方向和磁通量的变化之间满足的规律需要将多次实验现象进行记录和汇总，为此我们可以设计如下表所示的表格。子问题1：为什么表格中记录实验现象需要4行？答：磁场方向有

N

极在上或者

N

极在下两个方向，磁通量变化有增加和减少两种情况，因此记录实验现象的表格应当有

4

行。子问题2：实验中如何记录感应电流的方向？答：灵敏电流计指针的偏转情况可以表示感应电流的方向，因此需要先利用如图所示的实验找到灵敏电流计指针的偏转方向（左偏或者右偏）与线圈中电流方向（顺时针还是逆时针）之间的关系。

子问题3：如何利用实验记录，发现判断感应电流方向的规律？答：确定了指针偏转方向与线圈中电流方向之间的关系后，多次实验观察到的现象如图所示。将实验现象汇总在表格中，如下表所示。观察表格中的记录可以发现这其中确实存在着规律，但要表述这个规律似乎还有难度。根据奥斯特的“电生磁”现象可知，感应电流必然也会产生磁场，我们试着将感应电流的磁场方向也添加到实验记录表格中，看看对规律的表述是否有帮助。因为表格中有两个磁场方向，为便于区分我们将磁通量变化的磁场称为原磁场（B原），将感应电流产生的磁场叫做感应磁场（B感）。根据安培的右手螺旋定则判断出感应电流的磁场方向，并添加到实验记录表格中，如下图所示：观察调整后的实验记录，我们可以发现规律：当磁通量增加时，感应电流的磁场方向与原磁场方向相反；当磁通量减少时，感应电流的磁场方向与原磁场方向相同。问题4：什么是楞次定律？如何利用楞次定律判断感应电流的方向？

答：更多的实验中均可以发现上面同样的规律，但这个规律的表述还不够“简洁”。（物理学在描述和解释自然界时，总是努力追求“简洁”。）

俄国物理学家楞次在1833年就将上面的规律用更加简洁的方式进行了表述，这就是楞次定律。楞次定律的内容为：感应电流具有这样的方向，即感应电流的磁场总要阻碍引起感应电流的磁通量的变化。

物理学的理论不仅要能描述和解释现象，更要能够预测事实进而改进实践。接下来让我们利用楞次定律来预测一下如图所示的实验中的实验现象：当条形磁铁靠近悬挂的闭合铝环时会发生怎样的现象呢？对实验现象的预测过程如下：当条形磁铁靠近铝环时，穿过铝环的原磁场的方向向右，磁通量增加。铝环中因为磁通量变化产生感应电流，根据楞次定律可知感应电流的磁场要阻碍磁通量的增加，因此感应电流的磁场方向应当向左。利用安培的右手螺旋定则可知感应电流的方向为逆时针方向（从左向右看）。将通电的铝环看作条形磁铁，则

N

极在左、S

极在右。因为同名磁极相互排斥、异名磁极相互吸引，所以实验时铝环将受到排斥作用向右运动。请看原理类似的实验视频。（资源来源于网络，侵删）上面的实验不仅验证了楞次定律的科学性，也给我们示例了利用楞次定律判断感应电流方向步骤：①确定原磁场的方向；②确定穿过闭合线圈的磁通量是增加还是减少；③根据楞次定律确定感应电流的磁场方向；④利用右手螺旋定则确定感应电流的方向。对于闭合电路的部分导体做切割磁感线运动时产生的感应电流的方向的判断，英国工程师、物理学家弗莱明（二极管又称电子管的发明者）在楞次定律的基础上总结出了右手定则：伸开右手，使拇指与其余四个手指垂直，并且都与手掌在同一个平面内．让磁感线垂直穿入手心，并让拇指指向导体运动的方向，这时其余四指所指的方向就是感应电流的方向，如图所示。

问题5：如何理解楞次定律中“阻碍”这个词的含义？答：楞次定律中的关键词为“阻碍”：“阻碍”意味着不是“阻止”，也就表明闭合回路的磁通量最终一定发生了变化，而电磁感应现象延缓了变化的过程。

“阻碍”这个词在高中物理学习中并不是第一次出现，理解“阻碍”这个词的含义可以借鉴我们已有的经验。如图所示，在必修1中学习的滑动摩擦力的作用就是阻碍两个物体间的相对运动。因为要发挥“阻碍”作用，滑动摩擦力的方向才总是与物体相对运动的方向相反。

感应电流“阻碍”磁通量的变化的作用也不仅仅通过产生磁场实现的。仍以磁铁和闭合铝环的这个实验为例，通过前面的分析可知，当磁铁靠近闭合铝环时，铝环中产生了感应电流，这个感应电流与磁铁之间产生了作用力，这个力就是安培力。在这个力的作用下，铝环还发生了运动。因此感应电流的磁场、感应电流受到的安培力以及因为安培力引起的运动都是感应电流的效果，这些效果都在“阻碍”磁通量的变化。因此楞次定律还有另一种表述：感应电流的效果总是阻碍引起感应电流的原因。这里的原因既可以是磁通量的变化，也可以是相对运动或者回路的形变等等。问题6：为什么感应电流的方向总是“阻碍”磁通量的变化？答：楞次定律其实是能量守恒定律在电磁感应现象中的具体表现。

以闭合电路的部分导体切割磁感线为例，假设导体向右运动切割磁感线，根据楞次定律可知产生的感应电流受到的安培力一定向左