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阿拉果圆盘实验解释原理探讨
一、阿拉果圆盘实验：
1822年，法国科学家阿拉果(D.F.G.Arago，1786-1853年)和德国物理学家冯·洪堡(A.vonHumboldt,1769-1859年)在英国格林威治(Greenwich)的一座小山上测量地磁强度时偶然发现，放在铜底座上的小磁针的摆动，比孤立放置的磁针摆动的幅度衰减要快，而摆动的周期却没有明显的改变。阿拉果据此推测，既然静止的铜片能够影响运动的磁针,那么,运动的铜片可能会对静止的磁针也产生作用。
1824年,阿拉果根据这一现象又做了一个实验,将一个铜圆盘装在一根垂直轴上，使其可以水平转动，在铜盘正上方悬吊一根磁针，所用细线质地柔软，即使磁针旋转许多圈，悬线都不会产生明显的扭力来阻止磁针的旋转.阿拉果通过实验发现，当铜盘旋转时，磁针即跟着一起转动，但是时间上稍滞后一些；反之，当磁针旋转时,铜盘也跟着旋转，同样时间上稍有滞后.这个现象就是物理学史上著名的阿拉果铜盘实验现象”。阿拉果由于发现这一现象获得1825年英国皇家学会的科普勒奖章(CopleyMedal）
二、法拉第的解释
通过实验，法拉第事实上已经揭示了阿拉果铜盘实验的本质所在，那就是磁体和导体之间的相对运动在导体内产生出了感应电流，而感应电流产生的磁力又会与磁体的磁力互相作用从而使得铜盘或磁体转动。对阿拉果铜盘实验现象的正确解释，无疑是法拉第电磁感应理论的一个巨大胜利。正是由于认识到阿拉果实验中所用的铜盘的作用稳恒感应电流的实验装置法拉第才设计了产生获得了稳恒的感应电流的第一台发电机。
三、代表期刊典型分析：
1、刘保华老师在《物理通报》的解释
首先，将题中原图改为俯视，另外，小磁针Ｎ极Ｓ极正下方磁感应强度只考虑垂直盘面的分量；根据小磁针周围磁场的分布，在磁针投影（Oa与Ｏb代表Ｎ极和Ｓ极投影位置）正下方磁感应强度认为最强，盘面上从投影位置沿两边，磁感应强度逐渐减弱，则静止时盘面上的磁场分布大致下图所示
黄绍书老师在《物理通报》的解释
阿拉果铜盘实验中产生的是径向电流，不是也不可能是涡电流．径向感应电流是导致磁针随圆盘转动的根本原因。
3、郭芳侠老师在《物理教学》的解释
当圆盘刚刚发生逆时针转动时，由楞次定律“感应电流的效果总是反抗引起感应电流的原因”可知，微元1相当于S极垂直纸面向外的微小磁铁将吸引磁针N极使其沿逆时针方向转动，从而阻碍铜圆盘、磁针之间的相对运动;微元3相当于N极垂直纸面向外的微小磁铁,其作用也会使磁针沿逆时针方向转动,从而阻碍铜圆盘、磁针之间的相对运动。同理可知,微元2相当于S极垂直纸面向外的微小磁铁;微元4相当于N极垂直纸面向外的微小磁铁。
就圆盘左半部分而言，各处微元等效的小磁铁磁极方向均是S极垂直纸面向外由右手定则可知左半部分的宏观涡电流应是顺时针方向。同理，圆盘右半部分的宏观涡电流是逆时针方向。考虑到盘的形状，推测圆盘上的宏观涡电流分布情况大致如图3中的虚线所示。此时研究与铜圆盘同心的圆环回路，回路上左半部的涡电流与右半部的涡电流大小相等、方向相反，总的涡电流为零,与前面的分析一致。
就圆盘左半部分而言，各处微元等效的小磁铁磁极方向均是S极垂直纸面向外由右手定则可知左半部分的宏观涡电流应是顺时针方向。同理，圆盘右半部分的宏观涡电流是逆时针方向。考虑到盘的形状，推测圆盘上的宏观涡电流分布情况大致如图3中的虚线所示。此时研究与铜圆盘同心的圆环回路，回路上左半部的涡电流与右半部的涡电流大小相等、方向相反，总的涡电流为零,与前面的分析一致。
四、高考试题关联
2015年普通高等学校招生全国统一考试(普通高中新课程标准Ⅰ卷）将本实验作为出题背景考查学生对电磁感应规律的理解和拓展应用能力。
1、该年理科综合能力测试第19题如下：
1824年，法国科学家阿拉果完成了著名的“圆盘实验”，实验中将一铜圆盘水平放置，在其中心正上方用柔软细线悬挂一枚可以自由旋转的磁针，如图1所示，实验中发现，当圆盘在磁针的磁场中绕过圆盘中心的竖直轴旋转时，磁针也随着一起转动起来，但略有滞后，下列说法正确的是（）。
A.圆盘上产生了感应电动势
B.圆盘内的感应电流产生的磁场导致磁针转动
C.在圆盘转动的过程中，磁针的磁场穿过整个圆盘的磁通量发生了变化
D.圆盘中的自由电子随圆盘一起运动形成了电流，此电流产生的磁场导致磁针转动
2、试题解析：
全国高考命题专家组对该试题给出的参考答案是“A”和“B”两个选项。当铜圆盘在小磁针的磁场中转动时，半径方向的金属条在切割磁感线，发生电磁感应现象，在铜圆盘的圆心和边缘之间产生感应电动势，选项A正确。圆盘在径向的辐条切割磁感线的过程中，内部距离圆心远近不同的点电势不等而形成感应电流即涡流（根据圆盘转向的不同以及磁极的不同，感应电流从轴心流向边缘或从边缘流向轴心），而感应电流产生的磁力又会与小磁针的磁力相互作用，从而使小磁针一起转动起来，故选项B正确，选项D错误。圆盘转动过程中，圆盘位置、圆盘面积和磁场都没有发生变化，故磁场穿过整个圆盘的磁通量没有变化，选项C错误。故答案为AB。
3、原理分析
磁针的磁场穿过整个圆盘的磁通量不发生变化，为什么圆盘的局部区域的磁通量又会发生变化？
磁针的磁场是非匀强磁场，但其磁感线的分布具有空间的对称性。实验中将一铜圆盘水平放置，在其中心正上方悬挂一枚磁针，故铜圆盘中的磁通量为零。当铜圆盘转动时，磁针的磁场穿过整个圆盘的磁通量不发生变化，但圆盘的局部区域的磁通量始终变化（时而增大时而减小），故圆盘的局部区域存在感应电流（即涡流）。
五、教学探索：
1、涡流的产生是利用感生电动势解释还是用动生电动势解释更有利于学生理解？
当铜圆盘在小磁针的磁场中转动时，半径方向的金属条在切割磁感线，发生电磁感应现象，在铜圆盘的圆心和边缘之间产生感应电动势，圆盘在径向的辐条切割磁感线过程中，内部距离圆心远近不同的点电势不等而形成感应电流即涡流（根据圆盘转向的不同以及磁极的不同，感应电流从轴心流向边缘或从边缘流向轴心），而感应电流产生的磁力又会与小磁针的磁力相互作用，从而使小磁针一起转动起来。
铜圆盘上存在许多小的闭合回路，当圆盘转动时，穿过小的闭合回路的磁通量发生变化，回路中产生感应电流。由原题可知，在圆盘左半部分，当穿过小的闭合回路的磁通量增大时，回路中产生逆时针的感应电流，此时感应电流的磁场对小磁针的N极施加斥力作用；当穿过小的闭合回路的磁通量小时，回路中产生顺时针感应电流，此时感应电流的磁场对小磁针的N极施加引力作用；在圆盘右半部分；当穿过小的闭合回路的磁通量增大时，回路中产生顺时针的感应电流，此时感应电流的磁场对小磁针的S极施加斥力作用；当穿过小的闭合回路的磁通量减小时，回路中产生逆时针感应电流，此时感应电流的磁场对小磁针的S极施加引力作用，故磁针会随圆盘一起转动。
动生电动势是感生电动势在面积变化情形下推导的切割公式，关于涡流的产生和特点利用楞次定律来解释更容易理解。
2、磁针随着圆盘一起转动起来，磁针的角速度和圆盘的角速度相等吗？
圆盘在外力作用下转动时，磁针随着圆盘一起转动。磁针的角速度和圆盘的角速度若相等，则两者保持同步转动，穿过小的闭合回路的磁通量也不会发生变化，此时无感应电流产生，这与原题的实验情景和实验结论不符，故磁针的角速度始终小于圆盘的角速度。当圆盘的角速度逐渐增大时，磁针的角速度也会逐渐增大，但磁针的角速度始终小于圆盘的角速度。
3、怎样理解“略有滞后”？
磁针的角速度始终小于圆盘的角速度，感应电流阻碍其相对运动，但抗拒不了相对运动，故磁针会随圆盘一起转动，但略有滞后。“略有滞后”是为了在圆盘上产生涡流，该涡流对应的磁场总是要阻碍引起涡流的磁场磁通量的变化，即阻碍磁针与圆盘的相对运动，其效果使其相对运动减小。“略有滞后”也体现为涡流的机械效应，对磁针而言表现为电磁驱动，对圆盘而言表现为电磁阻尼。不论电磁驱动还是电磁阻尼，都是电磁感应现象而产生的，故磁针会随圆盘一起转动，但略有滞后。
4、圆盘中的自由电子随圆盘一起运动是否会形成电流，此电流产生的磁场是否会导致磁针在水平方向内转动？
《中学物理教学参考》第45卷2016年第1～2月刊61页的解析中提出：圆盘中的自由电子随圆盘一起运动形成环形电流，该电流的磁场方向通过圆盘的中心方向竖直向下，该磁场对小磁针在水平方向内的旋转没有影响。其实圆盘中除了存在自由电子，还有与自由电子对应的带正电的原子核。自由电子随圆盘一起运动形成环形电流，该电流的磁场方向通过圆盘的中心方向竖直向下，那么带正电的原子核随圆盘一起运动形成环形电流，该电流的磁场方向通过圆盘的中心方向竖直向上，最终这两种环形电流相互抵消，电流产生的磁场也相互抵消。实际上圆盘本身呈电中性，没有多余的电荷，圆盘旋转时不会产生环形电流，也没有该环形电流对应的磁场存在。

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