普通物理中畢奧—薩伐爾定律的教學研究

張翌

蘭州資源環(huán)境職業(yè)技術(shù)學院

【摘 要】畢奧-薩伐爾定律是電磁學中一個十分重要的定律，它是由法國著名的科學家畢奧和薩伐爾經(jīng)過長期合作研究得出的實驗結(jié)果。這項實驗主要研究的是載流長直導線對磁極的作用反比于距離，同時還對電流對磁極作用力的影響進行了確定。為了更好地掌握畢-薩定律，文章針對普通物理中這項定律的教學進行了詳細的研究和分析。

【關(guān)鍵詞】普通物理 畢奧-薩伐爾定律 教學研究

作為電磁學中的一項基本規(guī)律，畢奧-薩伐爾定律第一次指出了電磁之間的量化關(guān)系和作用，對電磁學的發(fā)展有著極大的影響和意義。這項定律中包含的基本物理思想和方法，對現(xiàn)代物理的發(fā)展起到了十分重要的影響。一般情況下，普通物理教材中對這項定律進行引用的方法為：首先對磁感應強度進行定義，然后給出畢奧-薩伐爾定律的結(jié)論，最后把讀者的注意力引向解題和計算[1]。但是筆者認為在實際引用的過程中，這種方式還存在明顯的不足。因此本文將對普通物理中畢奧-薩伐爾定律的教學進行深入的研究，希望能夠有效地解決存在的問題。

一、建立畢奧-薩伐爾定律的實驗過程

過去由于受到庫侖定律的影響，很多科學家都相信電和磁之間不存在相應的關(guān)系，在進行研究的時候也是將電和磁分別開來。后來丹麥物理學家奧斯特在研究中發(fā)現(xiàn)了電流的磁效應，這一消息迅速傳到了法國的科學界，僅僅一周的時間，安培就取得了重要的研究成果。與此同時，畢奧和薩伐爾進行了相關(guān)的電磁的實驗，并且在法國科學院會議上做了重要報告。他們發(fā)現(xiàn)：磁針的南極和北極被載流長直導線施加的力都反比于磁極與導線之間的距離。這個實驗結(jié)果是人類第一次對電流磁效應的定量研究[2]。

（一）實驗原理

畢奧和薩伐爾應用實驗的方法建立了畢奧-薩伐爾定律。整個實驗原理可以分為三方面：第一，在對小磁針的受力狀況進行測量的過程中應用了磁針的振蕩周期法，準確地求出磁力反比于振蕩周期的平方數(shù)，巧妙地通過震蕩周期間接地測量載流直導線產(chǎn)生的作用在磁場上的力；第二，為了更好地消除地磁場對實驗的影響，他們通過補償法避免了實驗中地磁場對磁針磁化產(chǎn)生的誤差，提高了實驗的精確度；第三，根據(jù)具有對稱性的彎折導線作用在磁極上的力的實驗，求解作用力的大小和彎折角度的關(guān)系，并且導出定量的公式。因此，從一些特殊的電流產(chǎn)生的磁場導出電流源產(chǎn)生磁場的一般公式，就是畢奧-薩伐爾定律實驗過程的實質(zhì)[3]。

（二）磁現(xiàn)象的電流本質(zhì)

安培在進行實驗的時候，首先是將奧斯特的實驗進行了重復，同時他也在思考一個更具深度的問題，就是：磁只能通過電流產(chǎn)生嗎？磁的本質(zhì)究竟是什么？為了更好地對這一系列問題進行解答，安培首先做了一個對比，之后又先后進行了三次實驗。安培認為在磁體間的作用都是磁最基本的現(xiàn)象和反映，因此之后他又將奧斯特實驗和次體檢的基本作用進行了相應的對比。因為他認為在奧斯特的實驗過程中電流基本上都被當成了磁體，所以也是主要的施力磁體。那么究竟電流能否充當受力的磁體呢？針對這一問題，安培也進行了相關(guān)的實驗。通過實驗，安培發(fā)現(xiàn)電流確實能夠充當基本的受力磁體。在不斷地實驗和探究過程中，他對很多之前存在的問題都進行了相應的分析和解答。因此通過大量的實驗，安培又在原本實驗的基礎(chǔ)上進行了大膽的假設(shè)：磁性物質(zhì)中由于真實的存在分子電流，因此磁現(xiàn)象真正的發(fā)源是由電流形成的[4]。

二、畢奧-薩伐爾定律的體驗和理解

（一）磁與電流間的量化關(guān)系

雖然之前安培對很多電流的問題進行了研究和分析，但是在磁和電流間的量化關(guān)系究竟是什么，對于這一問題得到了相應的進展的是畢奧和薩伐爾。他們在對這一問題進行研究的時候，首先是將奧斯特之前的實驗進行了重復，同時在奧斯特原本的實驗基礎(chǔ)上也對實驗裝置進行了完善和改進，因此形成了畢奧-薩伐爾裝置。在這項實驗裝置中，導線一經(jīng)通電，那么兩磁極同時受力，但是圓盤上的系統(tǒng)還是相應地保持靜止狀態(tài)。因此他們通過這一實驗結(jié)果得出的結(jié)論是：兩個磁力相對應的導線磁力的大小是相等的，但是由于方向是相反的，因此兩者之間的作用力被相互抵消；同時由于磁力和電流的強度是成正比的，因此直線電流對磁極的作用力和電流的強度也是成正比的。

（二）畢奧-薩伐爾定律的體驗

由于畢奧-薩伐爾的實驗是在很多前提實驗的基礎(chǔ)上進行的，因此我們在和其他的物理定律進行對比的時候能夠很明顯地發(fā)現(xiàn)它們之間有很多共同的特點，但是在整體實驗的方向感還是存在很大差別的。比如在進行實驗的過程中，在同樣一個平面內(nèi)，有兩個方向垂直的兩個電流元，我們只要熟練地掌握了畢奧-薩伐爾定律，那么就很容易對磁感應的強度做出分析和判斷，對我們學習電流指示也有著很大的幫助和影響[5]。

（三）畢奧-薩伐爾定律的理解

我們在學習物理的時候有一個十分常見的定則叫作“左手定則”。因此我們在對上文中的例子進行研究的過程中，想要更好地將問題進行簡化，首先可以將電路中的其他環(huán)節(jié)去除。也就是說在同一個空間中只存在兩個電流元，那么在對這一問題進行研究的過程中，我們就可以認為這兩個電流元是在電荷元低速的運行過程中產(chǎn)生和出現(xiàn)的，因此在他們之間所產(chǎn)生的磁力實際上是沒有滿足牛頓第三定律的。

我們在對定律進行研究的過程中，通過實驗的方式最終得出了磁現(xiàn)象的電流本質(zhì)。因此在現(xiàn)代物理理論中我們發(fā)現(xiàn)，無論是電流還是分子電流，都是電荷的運動。因此可以說，電磁現(xiàn)象的本質(zhì)都是起源于最基本的電荷運動。在對定律建立的研究過程中，我們通過實驗、對比等方式得到了畢奧-薩伐爾定律，同時我們還在這一定律中通過對實驗現(xiàn)象的研究和分析，得出了相關(guān)的實驗結(jié)論，對今后普通物理教學的開展將起到極大的幫助。同時，學生在對這一物理問題進行理解的過程中也將有更明確的認識，對今后物理課程的學習和開展將起到有效的促進作用[6]。

三、結(jié)束語

本文對畢奧-薩伐爾定律的建立過程進行了詳細的研究和分析，同時也對基本的實驗原理和相關(guān)的環(huán)節(jié)進行了詳細的闡述。物理本身就是一項比較枯燥的學科，并且這門學科的實驗性比較強，學習定律和實驗是不可分割的。加強對這類定律的分析和研究，不僅有助于教師更好地開展教學，也有助于學生更好地進行物理學習。在對定律的研究過程中，通過實驗，學生對物理有了新的認識和理解。因此，在今后的學習過程中，教師要更好地對相關(guān)的定律進行研究，讓學生在學習的過程中對問題的本質(zhì)進行研究。這樣才能更有利于普通物理教學的開展和發(fā)展，有利于促進整體物理教學水平的提高。

【參考文獻】

[1]高卓，孫作江，劉鵬，等.畢奧-薩伐爾定律的教學研究[J].物理與工程，2014，24（06）：43-46.

[2]呼和滿都拉，冀文慧，楊洪濤，等.畢奧-薩伐爾定律建立的探討[J].物理通報，2014，28（11）：18-23.

[3]孟祥國，張寶鋒，崔風華，等.由麥克斯韋方程組推導出畢奧-薩伐爾定律的幾種方法[J].聊城大學學報（自然科學版），2014，17（01）：25-26，65.

[4]王較過.畢奧-薩伐爾定律的建立過程[J].四川師范大學學報（自然科學版），2011，24（06）：614-617.

[5]周武雷.畢奧-薩伐爾定律的教育價值評述[J].中國科教創(chuàng)新導刊，2009，35（28）：81，83.

[6]高志華，何俊.畢奧-薩伐爾定律的教學研究[J].物理通報，2007（10）：18-19.