各位大神,我代六歲多的女兒提個問題。前陣子給她買了一個手搖發電(如下圖)機,她玩過後問:為什麼導線在磁場裡面轉動會產生電?

PS:她只知道原子是由原子核以及圍繞著的電子組成的,電子分正負;異性電相吸、同性電相斥;知道磁力場。

不要解釋「法拉第效應」「洛倫茲力」,我不是要孩子記住一些名詞,而是想用通俗易懂的話解釋。

以前物理學得不好,拜謝各位!


首先你得清楚這世界上有很多道理是要通過一定程度的學習才能體會的,不要強求什麼都能「通俗」,而去排斥那些看起來更困難的正統解釋。

所謂「解釋」一個現象,都是用已知的東西來描述未知的東西。科學是用已知的抽象理論描述未知的具體事物,科普往往是用已知的具體事物去類比未知的具體事物。如果你拒絕前者,那隻能寄希望於後者。然而洛倫茲力,或者說安培力,是一種比較「奇特」的、一般機械中不存在的作用形式,它正比於速度,又與運動方向垂直,這在電磁現象以外的一般機械運動中並不存在。

其實大量的科學知識,尤其是比較偏理論的知識,是不適合用科普的形式來解釋的,一是很難找到恰當的類比,二是類比往往嚴重丟失重要的特性,會產生誤解。比如量子理論很多科普就造成了大量誤解,雖然被大家津津樂道,但還是一定程度上違背了科普的初衷。我的建議是對於這種知識,要麼就淺嘗輒止,知道有什麼現象就行了,別試圖去理解,要麼就盡量用最正統的方式去理解。

題主不要害怕「洛倫茲力」這種名詞,很多文科生對理科學術名詞似乎有生理性抵觸。。。真的沒必要,何況這裡真的沒涉及到多少數學。。。許多術語發明出來都是為了便於交流,科普的時候大不了把這些術語都解構了,語言上啰嗦一點。「洛倫茲力」描述的現象很簡單,帶電粒子在磁場中運動的時候會受到橫向的力——「向前走的時候不自覺得就左拐了」這樣。導線里有很多可以移動的電子(相對的,絕緣體里的電子就不能移動,產生不了電流),所以導線在磁場中轉動的時候裡面的自由電子相對於轉動方向就有了拐彎的趨勢,這個趨勢導致了電流。

不過,我猜想孩子並不那麼在意這些解釋,孩子的困惑可能主要來源於「磁場為什麼有兩種看似完全不同的作用」。對於孩子已知的「同極相斥,異極相吸」而言,接受起來並不困難;而如果要單獨接受「導體切割磁場產生電」,我覺得也沒有那麼困難——如果孩子只知道磁鐵的這一個效果的話,她可能會把磁鐵稱為「發電鐵」,「發電」這個魔法和「相吸、相斥」這個魔法真有多少等級上的差別嗎?恐怕沒有,但是對於孩子來說這分明是兩種不同系列的魔法(很多遊戲里電、雷是一系,有時屬風,而磁則有時歸為土系)。當兩個效果同時存在時,疑問自然會產生。就像我們設計虛擬人物的人設,一個人的技能一般不會東一榔頭西一棒子,而往往是「火系」「風系」「家族遺傳」這種可以歸為一類的技能。那麼磁的這兩種技能/效果有什麼聯繫?這可能才是解決問題的關鍵。

所以為了和孩子所理解的磁力聯繫起來,可以嘗試解釋一下磁體的分子電流假說,即磁鐵之間之所以有磁力也是因為上述的效應。簡單來說,電和磁會相互產生:運動的電荷產生磁,磁鐵的磁是因為磁鐵中微小的環形電流產生磁場,而磁鐵的相吸相斥就是因為這些微小電流受到另一個磁鐵的磁場的力,這個力和發電的力是一回事。


其實有時候,更「深」一些的東西未必更難理解。

比如題主的這個問題,我就建議你從「對稱性」方面入手,然後還可以自然推進到「熵」。

這聽起來的確很瘋狂。但相信我,只要找對方法,六歲的小傢伙一樣能理解。


首先,找一段鋼筋、粗鐵釘,弄一段帶絕緣皮的導線,然後再找一節乾電池,纏一個電磁鐵出來——這個太簡單,我就不講怎麼做了。

做出來後,找塊磁鐵,通電。你會發現電磁鐵的其中一端和磁鐵相吸。

然後,改變電流方向(乾電池和上次接入方向相反),她就會發現,過去相吸的那端變成了相斥,相斥的一端變成了相吸。

她一定會問「為什麼」。

告訴她,盤繞的導線裡面通過電流,就會變成電磁鐵;電流的方向不一樣,電磁鐵的方向就不一樣——同時可以科普一下南北極、地磁場、指南針之類東西。

如果她還有興趣,那就繼續啟發:找顆紐扣大的釹磁,照網上的教程做個電動機玩玩。

魔力科學小實驗,這應該是世界上最簡易的電動機

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有了前面「鐵釘電磁鐵」的鋪墊,她很容易就能理解:當「通電導線的磁極」和「釹磁鐵磁極」方向不一致時,就會推動它旋轉了。

小孩子,注意定性討論,不要定量。她還理解不了。

而定性討論是很容易說清楚的。

然後,繼續引導:假如不給電磁鐵接電池,而是讓它在磁鐵周圍旋轉,它會不會變成電池?

注意:沒必要精確到「切割磁力線」甚至「楞次定律」的程度。急於灌輸她不可能聽懂的東西,那不是教育,是扼殺。

這時候,小孩子馬上就會驚喜的發現,原來不光電會變成磁,磁也會變成電哦。

你看,對稱性就出來了。

如果還想繼續深入,不妨引導她想一想,是不是所有東西都能「反著來」?

比如,蹬自行車會跑;那麼沿坡地往下遛,自行車腳蹬會不會跟著轉?為什麼不會?不妨介紹下「死飛」的原理,然後提一提「棘輪」。網上很多這方面的原理視頻/動畫。

如果動手能力強,試試把發電機的磁鐵轉到軸向,看看電流是不是就消失了。

樸素的能量轉化思想,是不是很容易就體會到了?簡單的能量轉換的約束條件,是不是稍微有點頭緒了?

然後,問一問,為什麼(積木壘的)牆倒了,就不會自己站起來?

小孩子很可能本能回答你「它亂掉了」。嗯,「亂掉」就是熵增,熵增不可逆。


不要用大人的學法去教小孩子。她還理解不了什麼公式什麼定理。

教她用自己的身體、自己的眼睛去感受吧。

自然界的深層奧秘,是完全可以讓小孩子本能的感受到的。

說不清楚不要緊,不夠理解沒關係。這些都不是這個年紀的小孩子需要的。

她們只需要感受。感受到親自「挖掘」出從未見識過的、「自然的神奇一面」時的愉悅,她自然就滿足了好奇心、求知慾——同時產生了更深刻、更持久的興趣。

她們需要的是在家長的引導下,親自發掘出各種各樣好玩的東西,讓小小的腦袋被更多的驚喜、更大的疑惑充滿。

然後,等上學學到時,她才會知道:「啊,原來小時侯玩過的、那麼神奇的東西是這麼一回事啊。」

這些看似幼稚粗糙的知識儲備,其實對孩子來說非常非常的重要。

太多可憐的孩子,直到上了初中、高中,學到滿篇鬼話的「光滑平面」「小球」時,她們實際上壓根就沒真的玩過小球。沒有見過它如何滾動、如何和其他小球碰撞、如何總是往坑坑窪窪處滾;她們也沒真正玩過水,很少觀察過河溝里、小溪中,水流如何流淌、如何衝激泥沙、如何和扔進裡面的石塊互動。

沒有這些觀察,就沒有「這麼神奇瑣碎的東西怎麼用公式表達」的需求;那麼,「這些公式實際上描繪出了一個多麼精緻複雜的自然界」「如此精緻複雜的自然界,竟然能用這麼簡單的兩行公式描述」的震撼,自然更不會有。

事實上,擺在她們面前的,只是一些毫無意義的、精神病人一樣的、簡單直白的「粗糙」公式——然後,居然就著這些公式讓他們回答那麼複雜、那麼無聊的「一邊灌水一邊排水」問題?

那麼,當學到初中物理時,一個個一臉懵逼不知道說的是啥,自然也就可以理解了。


因為磁和電是密切聯繫著的兩種現象,甚至它們之間可以相互轉換,電場運動起來會產生磁場,磁場運動起來也會產生電場,在導線看起來,周圍的磁場在運動,於是產生了電場,於是導線自己就會產生電流了


「為什麼大小鐵塊同時落地?不要解釋『牛頓第二定律』,『質量約掉』,『重力加速度』,我不是要記住名詞,也不是要學數學,就是想用通俗易懂的話解釋」

通俗解釋:這世界就是這樣運行的。

實際上,每個人腦袋裡都有一個基本常識庫,比方說蘋果往地上掉,比方說你孩子已經知道的原子核、電子、正負電荷,甚至還有「人吃飯就會飽」等等。邏輯上,這些基本常識是位於最前面的,所謂物理理論不過是對這些常識(現象)的歸納和表述簡化,而不是去「解釋」或者「推出」常識(現象)。

所以,當你看到一個新的現象時,把它加入你的基本常識庫就可以了。如果你還想知道怎麼簡單有力地描述這個現象,想知道它和你看到的其他現象是否有內在關聯(比如霍爾效應,比如電子理論),想知道如何用數學語言表達,就需要知道洛倫茲力等等概念了。


按你的描述,女兒已經很厲害了。知道原子知道場。如果真是對這兩個概念認識沒偏差,那隻需要補充一些關鍵信息就能串起來了。

首先,電是電子的流動。

從邏輯鏈條上來說,知道原子由原子核組成,還要加上不同導電態物質里的電子狀態:大部分局域化的電子和少部分傳導電子。這樣才能解釋為什麼只有某些特殊物質經過才會有,而不是所有東西經過都有。

既然知道場,就應該知道場看不見摸不著,要通過能跟它相互作用的東西來體現。事實上不相信六歲的孩子可以有這種抽象能力。可以類比一些透明的東西,比如撞到玻璃門上,眼睛看不到,只能通過摸來感受存在。而磁場更進一步,摸也摸不到。只能看小磁針偏轉。

至於為什麼要動起來才有,而不是放進去就有。可以類比上課:安安靜靜坐著,老師不會說你;但是亂動,就要把你拉回來。磁場也是,電子安安靜靜的呆著,它不會管;一動就會拉你,但是它不是把你拉回原地,而是往旁邊拉。

所以就把這個過程里的兩個客體,以及他們的相互作用解釋了。根本不用什麼力,什麼效應的名詞。

關鍵是要像講漫畫故事一樣,畫圖去表達電子的狀態,運動,運動的改變。用她熟悉的東西去類比。


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