論楞次定律教學(xué)中的磁荷理論與分子電流理論

阿不都克由木·吾吉阿不拉 周栩君 邢紅軍

(1. 和田師范?？茖W(xué)校，新疆 和田 848000; 2. 首都師范大學(xué)，北京 100048)

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論楞次定律教學(xué)中的磁荷理論與分子電流理論

阿不都克由木·吾吉阿不拉1周栩君2邢紅軍2

(1. 和田師范?？茖W(xué)校，新疆 和田 848000; 2. 首都師范大學(xué)，北京 100048)

眾所周知,初中學(xué)生學(xué)習(xí)右手螺旋定則時(shí),便知可將通電螺線管看作條形磁鐵,了解了如何將電磁學(xué)中的有關(guān)問題進(jìn)行等效．到了高中學(xué)習(xí)楞次定律時(shí),教師常常利用上述結(jié)論,并結(jié)合磁極、磁感應(yīng)線等概念對(duì)定律進(jìn)行闡述與講解．然而,認(rèn)真追究起來,卻發(fā)現(xiàn)教學(xué)中還存在著一些難以厘清的問題．基于此,本文由楞次定律教學(xué)中的佯謬出發(fā),對(duì)磁荷理論與分子電流理論進(jìn)行梳理,以期對(duì)中學(xué)物理的教學(xué)有所啟迪．

1 楞次定律教學(xué)中的佯謬

人教版高中物理教材通常采用圖1中的4幅圖對(duì)楞次定律進(jìn)行分析,教材由磁通量的變化為切入點(diǎn),分析感應(yīng)電流的磁場(chǎng),綜合實(shí)驗(yàn)事實(shí)概括得到“感應(yīng)電流的磁場(chǎng)總要阻礙引起感應(yīng)電流的磁通量的變化”,即楞次定律．

圖1

但是在大多數(shù)物理課堂中,教師往往會(huì)采用另一種方法——“等效法”,對(duì)該問題進(jìn)行分析．如圖1,當(dāng)條形磁鐵插入或拔出線圈時(shí),線圈由于感生電流而具有磁性,因此可以將線圈看作條形磁鐵,并根據(jù)右手螺旋定則判斷出通電線圈的S極和N極．當(dāng)磁鐵插入或拔出線圈時(shí),條形磁鐵與通電螺線管之間產(chǎn)生磁力的作用,或?yàn)橐?或?yàn)槌饬Γ?/p>

圖2

基于此,學(xué)生往往會(huì)產(chǎn)生兩種不同的觀點(diǎn)．第1種觀點(diǎn),也就是中學(xué)常常提到的“來拒去留”．以圖2為例,當(dāng)磁鐵的S極未插入線圈時(shí),由于線圈具有磁性,根據(jù)右手螺旋定則可知,線圈上端為S極,下端為N極,磁鐵與線圈之間的作用力為斥力,磁力阻礙磁鐵的運(yùn)動(dòng)．第2種觀點(diǎn)認(rèn)為,當(dāng)磁鐵的S極插入線圈或磁鐵全部插入線圈內(nèi)部時(shí),磁鐵的S極與線圈的S極相互排斥,磁鐵的N極與線圈的S極相互吸引,此時(shí)磁鐵與線圈之間的相互作用又變?yōu)橐?磁力為運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力．也就是說,此過程不需要外力做功就可以產(chǎn)生感生電流,與能量守恒定律相違背．(如圖3)

由此,圖3中的現(xiàn)象就形成了楞次定律教學(xué)中的佯謬．由于教師往往無法對(duì)第2種觀點(diǎn)進(jìn)行科學(xué)的解釋,這樣就會(huì)導(dǎo)致學(xué)生思維混亂,更遑論理解楞次定律．為什么會(huì)產(chǎn)生這樣的矛盾?根本原因還在于學(xué)生對(duì)磁性起源的兩種理論認(rèn)識(shí)不夠深入,甚至完全不清楚兩種理論的來龍去脈與應(yīng)用范圍．因此,在楞次定律的教學(xué)中,了解兩種理論的基本概念及適用條件就顯得尤為必要．

2 “磁荷”理論

人類對(duì)于磁現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)和研究開始于永磁體之間的相互作用,并將能夠吸引鐵、鈷、鎳等物質(zhì)的性質(zhì)稱為磁性,隨著對(duì)磁體、磁性的深入研究,對(duì)磁性起源的解釋逐漸形成了兩種觀點(diǎn),而最早的一種觀點(diǎn)就是“磁荷”理論．

永磁體之間存在相互作用,或排斥,或吸引,這與兩種電荷之間的相互作用極其相似,于是,人們就將電荷的相關(guān)概念引入磁現(xiàn)象的研究之中．自然界中存在兩種電荷——正電荷與負(fù)電荷,由于電和磁的相似性,人們認(rèn)為在磁的研究中同樣存在兩種磁荷,分布于磁棒的兩極,N極帶正磁荷+qm,S極帶負(fù)磁荷-qm,當(dāng)磁極的幾何線度遠(yuǎn)比它們之間的距離小時(shí),稱磁極上的磁荷為點(diǎn)磁荷[1]．庫(kù)侖在得到點(diǎn)電荷之間的相互作用服從平方反比關(guān)系之后,直覺地感到磁極之間的相互作用力服從類似的關(guān)系,遂由實(shí)驗(yàn)證明得到磁庫(kù)侖定律[2]為

∮LH·dl=0.

綜上所述,磁荷之間的相互作用服從磁庫(kù)侖定律,同名磁極相互排斥,異名磁極相互吸引,從而可以看出磁極的概念只有在“磁性起源于磁荷”的觀點(diǎn)中才有真實(shí)的意義[1]．同時(shí),磁荷觀點(diǎn)中采用磁場(chǎng)強(qiáng)度H描述磁場(chǎng)的強(qiáng)弱,用磁力線(H線)形象描述磁場(chǎng)強(qiáng)度的分布．由于磁場(chǎng)為有源場(chǎng),所以磁力線(H線)不閉合,它起于正磁荷止于負(fù)磁荷．所以,當(dāng)把通電螺線管“等效”為條形磁鐵時(shí),管內(nèi)管外磁力線均起于N極,止于S極．

磁荷理論沒有找到磁單極和磁荷,更多地是將它當(dāng)成一種理論假設(shè),同時(shí),雖然磁荷的觀點(diǎn)不能把電和磁統(tǒng)一起來,但是近代物理對(duì)磁單極的預(yù)言和研究使我們還不能輕易地認(rèn)為磁荷是虛構(gòu)的．[1]

3 “分子電流”理論

磁性起源的另一種觀點(diǎn)是“分子電流”理論．1820年,奧斯特的發(fā)現(xiàn)第一次揭示出電流能夠產(chǎn)生磁場(chǎng),即電流可以對(duì)磁鐵施加作用力,從而開辟了一個(gè)全新的研究領(lǐng)域．后來,通過實(shí)驗(yàn),科學(xué)家們逐漸認(rèn)識(shí)到螺線管和磁鐵之間存在一定的相似性,人們受到啟發(fā)提出“磁鐵和電流是否在本源上是一致的?”[2]

就此問題,安培提出了“分子電流”假說,他認(rèn)為“在原子、分子等物質(zhì)微粒的內(nèi)部,存在著一種環(huán)形電流——分子電流,未磁化的鐵棒,內(nèi)部分子電流的取向是雜亂無章的,它們的磁性相互抵消,對(duì)外不顯磁性．當(dāng)受到外界磁場(chǎng)的作用時(shí),各分子電流的取向變得大致相同,鐵棒被磁化,兩端對(duì)外界顯示出比較強(qiáng)的磁作用．[3]”

當(dāng)然,在那個(gè)年代,“分子電流”理論僅僅是一個(gè)假說,因?yàn)槿藗儾⒉涣私庠拥慕Y(jié)構(gòu),因此不能解釋物質(zhì)內(nèi)部的分子環(huán)流是怎樣形成的．但是,隨著科學(xué)的不斷發(fā)展,我們已經(jīng)清楚地知道,原子是由帶正電的原子核和繞核旋轉(zhuǎn)的負(fù)電子組成的,電子不僅繞核旋轉(zhuǎn),而且還有自旋．原子、分子等微觀粒子內(nèi)電子的這些運(yùn)動(dòng)形成了“分子電流”,這便是物質(zhì)磁性的基本來源．[2]由此可知,不論對(duì)于磁鐵還是導(dǎo)體中的電流,它們的本質(zhì)都是電荷的運(yùn)動(dòng),也就是運(yùn)動(dòng)的電荷之間存在磁相互作用．從而形成了“磁場(chǎng)是電流激發(fā)的”的觀點(diǎn),該理論也將電和磁統(tǒng)一了起來．

與磁荷理論相對(duì)應(yīng),在“分子電流”理論中描述電流激發(fā)磁場(chǎng)的基本物理量是磁感應(yīng)強(qiáng)度B,并且該理論認(rèn)為磁場(chǎng)為無源場(chǎng),且磁場(chǎng)力做功與路徑有關(guān),即磁感應(yīng)強(qiáng)度滿足

∮LB·dl=μ0∑I.

“分子電流”觀點(diǎn)采用磁感應(yīng)強(qiáng)度B描述磁場(chǎng)的強(qiáng)弱,用磁感應(yīng)線(B線)形象地描述磁場(chǎng)強(qiáng)弱的分布．需要指出的是,B線與H線不是同一種線．磁感應(yīng)線(B線)是與電流環(huán)連的無頭無尾的閉合曲線,沒有端點(diǎn)．同時(shí),磁場(chǎng)為無源場(chǎng),不可能有“磁極”的概念．由此可知,中學(xué)物理提到有關(guān)磁極的概念,均屬于磁性起源于磁荷的觀點(diǎn),而不是磁性起源于分子電流的觀點(diǎn)．

4 兩種理論的關(guān)系與應(yīng)用

如前所述,“磁荷”理論與“分子電流”理論均可以獨(dú)立解釋磁現(xiàn)象,通常,兩種理論所得到的結(jié)果也相同．但還應(yīng)該指出,兩者畢竟存在差異,所以在分析磁場(chǎng)問題的時(shí)候,只能選用兩種理論中的一種來進(jìn)行解釋,而不能兩種理論混合使用,否者會(huì)使問題變得復(fù)雜而無法解決．

以楞次定律教學(xué)中的佯謬為例,螺線管由于通電而具有磁性,該現(xiàn)象為電生磁,屬于“分子電流”理論的范疇,應(yīng)采用閉合的磁感應(yīng)線(B線)對(duì)磁場(chǎng)進(jìn)行描述,如圖4所示.

圖4

如果將通電螺線管等效為條形磁鐵,磁鐵兩端分別有正磁荷與負(fù)磁荷,形成N極與S極,這樣的等效方式屬于“磁荷”理論的范疇,應(yīng)采用不閉合且起于正磁荷(N極),止于負(fù)磁荷(S極)的磁力線(H線)對(duì)磁場(chǎng)進(jìn)行描述,如圖5所示.

圖5

對(duì)比圖4和圖5,可以發(fā)現(xiàn),B線與H線存在一定的相同與不同之處．具體而言,在通電螺線管外部,B與H分布相同,B線與H線基本相似,也就是說磁荷產(chǎn)生的磁場(chǎng)與電流激發(fā)的磁場(chǎng)是等效的,兩種理論得到的結(jié)果相同;而在通電螺線管的內(nèi)部,B線與H線方向完全相反,兩種理論就存在較大的差異．因此,之所以出現(xiàn)楞次定律中的佯謬,就是因?yàn)樵诜治鲞^程中同時(shí)采用了“磁荷”理論與“分子電流”理論．具體而言,其關(guān)鍵之處就在于:在通電螺線管內(nèi)部,B線、H線的方向是相反的．不清楚這一點(diǎn),就會(huì)給出錯(cuò)誤解釋．概括而言,由于這兩種理論并不同時(shí)適用于通電螺線管內(nèi)部的磁場(chǎng),所以才導(dǎo)致出現(xiàn)了錯(cuò)誤的結(jié)果．

一般情況下,在電流的磁場(chǎng)中某區(qū)域利用等效磁荷觀點(diǎn)引入磁極的條件,是在該區(qū)域內(nèi)的任意回路都不被傳導(dǎo)電流所鏈環(huán),即該區(qū)域是沒有傳導(dǎo)電流分布的單通區(qū)域[1]．以通電螺線管為例,沒有傳導(dǎo)電流分布的單通區(qū)域,就是除去通電螺線管本身及其內(nèi)部的區(qū)域,也就是通電螺線管的管外區(qū)域．換句話說,只有管外才能夠引入磁極的概念,才能進(jìn)行進(jìn)一步的分析．

綜上所述,將“磁荷”理論與“分子電流”理論進(jìn)行對(duì)比,兩者關(guān)系如表1所示.

表1 磁荷理論與分子電流理論的對(duì)比

由表1可知,“磁荷”理論與“分子電流”理論無論是概念本身還是適用條件都存在一定的差異．為避免出現(xiàn)問題,最好不要將兩種理論結(jié)合使用．之所以有些學(xué)生認(rèn)為,條形磁鐵插入線圈內(nèi)部時(shí),磁力為運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力,此過程不需要外力做功就可以產(chǎn)生感生電流,就是因?yàn)椴涣私鈨煞N理論的概念與適用條件,將通電螺線管內(nèi)部與外部混為一談,從而得到了違背能量守恒定律的錯(cuò)誤結(jié)論．

當(dāng)厘清了磁性起源的兩種理論后,教師在授課過程中就沒有必要刻意回避這一問題．當(dāng)學(xué)生提出佯謬問題時(shí),教師可向?qū)W生介紹磁極與磁荷的相關(guān)概念及適用條件,并根據(jù)通電螺線管內(nèi)部磁感應(yīng)線(B線)方向與條形磁鐵插入端的磁感應(yīng)線(B線)的方向進(jìn)行比較、分析,就可以得出正確結(jié)論．

1 黃永修.基礎(chǔ)物理專題分析[M].鄭州： 河南科學(xué)技術(shù)出版社,1993:300-303.

2 趙凱華,陳熙謀.電磁學(xué)[M].北京： 高等教育出版社,2003:82.

3 人民教育出版社課程教材研究所,物理課程教材研究開發(fā)中心.高中物理選修3-1[M].北京:人民教育出版社,2007.

4 鄭其豐，黃晶.基于認(rèn)知規(guī)律 打造高效課堂——“以楞次定律”第2課時(shí)教學(xué)為例[J].物理教師，2016(1)：13-16.

2017-02-22)