資源簡介

阿拉果圓盤實驗解釋原理探討
一、阿拉果圓盤實驗：
1822年，法國科學家阿拉果(D.F.G.Arago，1786-1853年)和德國物理學家馮·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度時偶然發現，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。阿拉果據此推測，既然靜止的銅片能夠影響運動的磁針,那么,運動的銅片可能會對靜止的磁針也產生作用。
1824年,阿拉果根據這一現象又做了一個實驗,將一個銅圓盤裝在一根垂直軸上，使其可以水平轉動，在銅盤正上方懸吊一根磁針，所用細線質地柔軟，即使磁針旋轉許多圈，懸線都不會產生明顯的扭力來阻止磁針的旋轉.阿拉果通過實驗發現，當銅盤旋轉時，磁針即跟著一起轉動，但是時間上稍滯后一些；反之，當磁針旋轉時,銅盤也跟著旋轉，同樣時間上稍有滯后.這個現象就是物理學史上著名的阿拉果銅盤實驗現象”。阿拉果由于發現這一現象獲得1825年英國皇家學會的科普勒獎章(CopleyMedal）
二、法拉第的解釋
通過實驗，法拉第事實上已經揭示了阿拉果銅盤實驗的本質所在，那就是磁體和導體之間的相對運動在導體內產生出了感應電流，而感應電流產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動。對阿拉果銅盤實驗現象的正確解釋，無疑是法拉第電磁感應理論的一個巨大勝利。正是由于認識到阿拉果實驗中所用的銅盤的作用穩恒感應電流的實驗裝置法拉第才設計了產生獲得了穩恒的感應電流的第一臺發電機。
三、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極正下方磁感應強度只考慮垂直盤面的分量；根據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）正下方磁感應強度認為最強，盤面上從投影位置沿兩邊，磁感應強度逐漸減弱，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
阿拉果銅盤實驗中產生的是徑向電流，不是也不可能是渦電流．徑向感應電流是導致磁針隨圓盤轉動的根本原因。
3、郭芳俠老師在《物理教學》的解釋
當圓盤剛剛發生逆時針轉動時，由楞次定律“感應電流的效果總是反抗引起感應電流的原因”可知，微元1相當于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動，從而阻礙銅圓盤、磁針之間的相對運動;微元3相當于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動,從而阻礙銅圓盤、磁針之間的相對運動。同理可知,微元2相當于S極垂直紙面向外的微小磁鐵;微元4相當于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。
四、高考試題關聯
2015年普通高等學校招生全國統一考試(普通高中新課程標準Ⅰ卷）將本實驗作為出題背景考查學生對電磁感應規律的理解和拓展應用能力。
1、該年理科綜合能力測試第19題如下：
1824年，法國科學家阿拉果完成了著名的“圓盤實驗”，實驗中將一銅圓盤水平放置，在其中心正上方用柔軟細線懸掛一枚可以自由旋轉的磁針，如圖1所示，實驗中發現，當圓盤在磁針的磁場中繞過圓盤中心的豎直軸旋轉時，磁針也隨著一起轉動起來，但略有滯后，下列說法正確的是（）。
A.圓盤上產生了感應電動勢
B.圓盤內的感應電流產生的磁場導致磁針轉動
C.在圓盤轉動的過程中，磁針的磁場穿過整個圓盤的磁通量發生了變化
D.圓盤中的自由電子隨圓盤一起運動形成了電流，此電流產生的磁場導致磁針轉動
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。當銅圓盤在小磁針的磁場中轉動時，半徑方向的金屬條在切割磁感線，發生電磁感應現象，在銅圓盤的圓心和邊緣之間產生感應電動勢，選項A正確。圓盤在徑向的輻條切割磁感線的過程中，內部距離圓心遠近不同的點電勢不等而形成感應電流即渦流（根據圓盤轉向的不同以及磁極的不同，感應電流從軸心流向邊緣或從邊緣流向軸心），而感應電流產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動起來，故選項B正確，選項D錯誤。圓盤轉動過程中，圓盤位置、圓盤面積和磁場都沒有發生變化，故磁場穿過整個圓盤的磁通量沒有變化，選項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生變化，為什么圓盤的局部區域的磁通量又會發生變化？
磁針的磁場是非勻強磁場，但其磁感線的分布具有空間的對稱性。實驗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。當銅圓盤轉動時，磁針的磁場穿過整個圓盤的磁通量不發生變化，但圓盤的局部區域的磁通量始終變化（時而增大時而減小），故圓盤的局部區域存在感應電流（即渦流）。
五、教學探索：
1、渦流的產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生理解？
當銅圓盤在小磁針的磁場中轉動時，半徑方向的金屬條在切割磁感線，發生電磁感應現象，在銅圓盤的圓心和邊緣之間產生感應電動勢，圓盤在徑向的輻條切割磁感線過程中，內部距離圓心遠近不同的點電勢不等而形成感應電流即渦流（根據圓盤轉向的不同以及磁極的不同，感應電流從軸心流向邊緣或從邊緣流向軸心），而感應電流產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動起來。
銅圓盤上存在許多小的閉合回路，當圓盤轉動時，穿過小的閉合回路的磁通量發生變化，回路中產生感應電流。由原題可知，在圓盤左半部分，當穿過小的閉合回路的磁通量增大時，回路中產生逆時針的感應電流，此時感應電流的磁場對小磁針的N極施加斥力作用；當穿過小的閉合回路的磁通量小時，回路中產生順時針感應電流，此時感應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；當穿過小的閉合回路的磁通量增大時，回路中產生順時針的感應電流，此時感應電流的磁場對小磁針的S極施加斥力作用；當穿過小的閉合回路的磁通量減小時，回路中產生逆時針感應電流，此時感應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動。
動生電動勢是感生電動勢在面積變化情形下推導的切割公式，關于渦流的產生和特點利用楞次定律來解釋更容易理解。
2、磁針隨著圓盤一起轉動起來，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動時，磁針隨著圓盤一起轉動。磁針的角速度和圓盤的角速度若相等，則兩者保持同步轉動，穿過小的閉合回路的磁通量也不會發生變化，此時無感應電流產生，這與原題的實驗情景和實驗結論不符，故磁針的角速度始終小于圓盤的角速度。當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，感應電流阻礙其相對運動，但抗拒不了相對運動，故磁針會隨圓盤一起轉動，但略有滯后。“略有滯后”是為了在圓盤上產生渦流，該渦流對應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動，其效果使其相對運動減小。“略有滯后”也體現為渦流的機械效應，對磁針而言表現為電磁驅動，對圓盤而言表現為電磁阻尼。不論電磁驅動還是電磁阻尼，都是電磁感應現象而產生的，故磁針會隨圓盤一起轉動，但略有滯后。
4、圓盤中的自由電子隨圓盤一起運動是否會形成電流，此電流產生的磁場是否會導致磁針在水平方向內轉動？
《中學物理教學參考》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動形成環形電流，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的旋轉沒有影響。其實圓盤中除了存在自由電子，還有與自由電子對應的帶正電的原子核。自由電子隨圓盤一起運動形成環形電流，該電流的磁場方向通過圓盤的中心方向豎直向下，那么帶正電的原子核隨圓盤一起運動形成環形電流，該電流的磁場方向通過圓盤的中心方向豎直向上，最終這兩種環形電流相互抵消，電流產生的磁場也相互抵消。實際上圓盤本身呈電中性，沒有多余的電荷，圓盤旋轉時不會產生環形電流，也沒有該環形電流對應的磁場存在。

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