一個演示楞次定律的鋁槽實驗所引發的探究小製作

在廣西師範大學科學教育研究所有一個“興華科學探究樂園”，它是一個師生共建的科學實驗探究基地，在對本所師生開放的同時，也歡迎大、中、小學師生來參觀訪問。在探究樂園裏常可見癡迷於奇異的實驗現象而不能自拔的探究者，我作爲其中的一員又一次被其中一個演示楞次定律的鋁槽實驗所吸引了。

一天，一位參觀者拉着我來到一個做鋁合金窗用的鋁槽邊上問我這是幹什麼用的。我把鋁槽斜靠在桌邊，拿起一個螺帽放在槽的上端，然後鬆手，螺帽迅速地沿着鋁槽滑下去了，再換一個鈕釦狀的釹鐵硼強磁鐵重試一次，結果出人意料的是磁鐵以比剛纔慢得多的速度往下滑。當我介紹這是演示楞次定律的實驗裝置時，這位參觀者感到很奇怪，他說：“這個鋁槽又不是閉合的，怎麼會有感應電流呢？”我一時無語，只好反問一句：“你怎麼知道沒有感應電流呢？”他說：“我在中學讀書時老師演示過一個鋁環實驗（如圖1所示），當時老師說用磁鐵靠近或遠離閉口鋁環時鋁環內產生了感應電流，這個電流與磁鐵相互作用所以鋁環就動了，當磁鐵靠近或遠離開口鋁環時鋁環內沒有感應電流，所以開口鋁環不會動，現在這個鋁槽沒有閉合迴路，怎麼會有感應電流呢？”

參觀者的話讓我不禁沉思起來。這個鋁環實驗可以說是一個經典實驗，它是高中物理教科書《楞次定律》一節中的一道習題，很多學校都配有這個實驗的器材，老師的演示給每一個學生留下了深刻的印象，我的中學老師正是像參觀者所解釋的那樣對我解釋這個實驗現象，而我也毫無異議地接受下來並繼續向我的學生們介紹和解釋這個實驗。我是否太缺少懷疑精神呢？面對這個鋁槽實驗我開始懷疑了。

要解釋鋁槽實驗，最大的可能就是磁鐵下滑時鋁槽產生了感應電流，這個感應電流的磁場阻礙了磁鐵的運動，磁鐵才以較慢的速度下滑。而用螺帽做實驗時沒有感應電流產生，所以能迅速下滑。但是既然鋁槽能產生感應電流，開口鋁環就不能嗎？我想應該是開口鋁環中的感應電流太小了，以至於與磁鐵的相互作用力太小，不能觀察到現象罷了。但如何才能證明這個想法是正確的呢？以前是否有人發現過開口鋁環運動的情況呢？怎樣才能讓開口鋁環也產生明顯的運動呢？我們今後對這個經典的鋁環實驗的教學是否應該做些改進呢？於是我開始了一個新的探究歷程。

一、前人的研究情況

爲了弄清以前是否有人發現過開口鋁環運動的情況，我開始查閱資料，結果確實有人發現過這種現象，並且解釋各不相同，這些觀點概括起來有四種：

（1）空氣流帶動觀點。在使用強磁性材料實驗中發現，開口環不是“紋絲不動”，而是有輕微運動，但這種運動不明顯，所以被有些老師歸結爲空氣流的影響。

（2）閉口環帶動觀點[1]。這種觀點認爲，開口環內並未產生感應電流，只是當磁鐵接近或離開開口環時，其磁場將漏入閉口環引起環內磁通量發生改變，從而環內產生感應電流，於是閉口環在磁場中受力發生轉動而帶動開口環轉動。

（3）瞬間充放電觀點.該觀點認爲當磁鐵向開口環接近時，開口環則處於變化磁場中，其中的自由電子在變化磁場產生的感應電場(渦旋電場)作用下向開口環的一側作定向運動，從而產生瞬間電流，該電流在磁場的作用下將使開口環運動。

（4）渦電流觀點。該觀點認爲，當磁鐵接近或遠離開口環時，將在開口環內產生渦電流，開口環的運動是由於渦電流在磁場中受力造成的[2]。

註釋：

[1]楊昌虎.對楞次定律實驗的析疑.實驗教學與儀器,1997(12).

[2]_

[1][2][3]

二、探究開口鋁環產生明顯運動的方法及運動的原因

不管前人有些什麼研究結果，我想我首先得看到在磁鐵接近或離開開口環時開口環真的發生了運動，不然一切都別談了。我先詢問了興華探究樂園的實驗員李爲模老師是否有這套楞次定律演示儀，他說沒有，但有人曾把直徑約2cm的鋁管鋸出兩個鋁環來做實驗，發現開口的那個鋁環也確實會動起來，並找出其中一個閉口鋁環給我。我將其鋸出一個缺口，變成一個開口環，然後用細線吊起來（如圖2所示），因爲用普通磁鐵做實驗根本看不到現象，所以我將幾個鈕釦狀釹鐵硼磁鐵合在一起形成一個磁性較強的磁鐵，爲便於用手拿，我將磁鐵吸附在一根小鐵棍的一端，當我滿懷期待地將小鐵棍伸向鋁環時，卻發現鋁環幾乎是一動不動，難道真的沒有感應電流產生？我有些絕望了，如果連現象都看不到，還談什麼解釋呢。

這時李老師提醒我，是不是你移動的速度不夠快。於是李老師和我一起把一些木塊墊起來，將小鐵棍放在上面，然後對準鋁環中心猛地一伸，果真，我發現鋁環動了，我終於成功地邁出了第一步。

雖然成功了，但開口鋁環運動不很明顯，如何才能讓它運動得更明顯呢？而且這個鋁環直徑很小，很容易讓人誤以爲是磁鐵碰到鋁環才使鋁環動起來的。不解決這些問題就沒有足夠的理由去說服別人相信這不是碰撞或空氣流動的影響。而且有些地方買不到這種強磁鐵，如何用較普通的磁鐵也能看到鋁環明顯動起來呢？我再次陷入了沉思。

我不得不去重做一個直徑大一些的鋁環。爲了簡便起見，我用剪刀從易拉罐上剪下一個約1cm寬的一個鋁環，將其剪斷變成一個開口環。可實驗中鋁環並沒有像預期的那樣動起來，怎麼辦呢？

正當我無計可施的時候，一個癡迷的探究者被我的實驗所吸引，這個癡迷者是個72歲的老頑童，是被小朋友叫做科技爺爺的顧力兵。他試着把磁鐵靠近鋁環的一邊插入鋁環中，結果鋁環發生了很明顯的扭動，而且在反覆把磁鐵插入、拔出的過程中，我們發現鋁環像一個扭擺一樣在來回的扭動。這時我猛然想到如果磁鐵插入拔出的頻率和鋁環的固有扭轉頻率相同，它們不是會發生共振嗎，這樣雖然磁鐵來回一次引起鋁環的晃動較小，但多次往復它一定會越晃越厲害的。另外，由於不是讓它擺動，而是讓它扭動，克服細繩的扭轉矩可要省力得多。於是我按照鋁環的扭轉頻率來回移動磁鐵，果然鋁環的扭動幅度越來越大，變得異常的明顯。看樣子，這種積小成大的方法確實非常有效。在顧老師的幫助下，我們又試着把鋁環拉平直，做成條狀（如圖3），用磁鐵去靠近它的一邊，果真它也動了，幾次反覆後，鋁條扭動的幅度也變得很大了。後來我們又試着在鋁環的外面靠近鋁環的地方來回移動磁鐵，鋁環也同樣能扭動起來，而且扭動幅度都很大。在上面實驗的基礎上，我換了一個普通的圓柱形磁鐵，將它吸附在一把螺絲刀上，然後在環的內側和外側來回靠近和遠離鋁環，結果鋁環都能很明顯地扭動起來了，且振幅越來越大。

做到這裏我們可以大致討論一下前人對開口鋁環會運動的四種解釋了。鋁環和如此明顯的扭動是不可能用空氣的流動來解釋的，前面所說的第一種解釋不攻自破了，當然爲謹慎起見我還做了一個紙環吊起來進行對比實驗，結果紙環並未明顯扭動。第二種解釋自然也站不住腳，因爲這裏只有一個開口環存在，因此，我至少可以認爲閉口環的影響不是主要因素。至於是瞬間電流還是渦流的影響呢？可以做一個對比實驗：再剪一個1cm寬的鋁環，不過將其剪成三四條彼此絕緣但又靠攏在一起的環，將其吊起來重複前面的實驗，實驗結果表明這個環的運動明顯更微弱。這說明主要原因還是渦流的影響2。另外，我做了另一個更簡單的實驗也證明了這一點：將一塊鋁（銅）板斜靠在桌邊形成一個斜面，分別將一個螺帽和一枚釹鐵硼磁鐵放在上面讓它們自由下滑，結果釹鐵硼磁鐵明顯下滑更慢，這兒連環都沒有了，因此只能用渦流來解釋了。

三、對鋁環實驗的教學改進意見

筆者就鋁環實驗在物理專業背景的人中間做了一個小範圍調查，結果發現絕大多數人都存在像參觀者那樣的想法，認爲開口鋁環中不會產生感應電流，所以在碰到鋁槽實驗時就無法解釋其實驗現象了。究其原因，問題還是出在人民教育出版社出版的物理教科書和教師教學用書上。筆者在十九年前讀高中時就接觸過這個實驗，現在筆者查閱了最新版高中物理教科書《物理》第二冊（必修加選修），這道實驗現象解釋題仍然出現在《楞次定律》一節的練習題中，而與其配套的教師教學用書上的解釋與參觀者的解釋無異。既然實驗已證明在強磁鐵靠近和遠離開口鋁環時，鋁環中有感應電流（渦流）產生，那麼教師用書中的說法就是錯誤的，應該更正，而不應該讓這個錯誤繼續下去了。

在該實驗的教學上，筆者認爲也應作相應的更改。下面是筆者設計的一種設計思路。出示圖1所示鋁環實驗裝置，演示後提問：爲什麼磁鐵靠近和遠離閉口鋁環時會發生轉動而靠近和遠離開口鋁環時不轉動？對於磁鐵靠近和遠離閉口環時產生的現象學生應該不難得出正確的結論，但對開口環而言通過教師的引導學生中間必然會產生爭論，在學生爭論後再和學生一起設計實驗進行驗證（如前面提到的鋁條實驗、鋁槽實驗和鋁板實驗），得出正確的解釋。另外，在課後也可以讓學生去自制這些簡單的實驗器材進行實驗。