右手螺旋定則的溯源及其教學(xué)啟示

肖凱龍 張軍朋

(華南師范大學(xué)物理與電信工程學(xué)院,廣東 廣州 510006)

右手螺旋定則可幫助我們快速地判斷出載流直導(dǎo)線產(chǎn)生的磁場方向,教師也習(xí)以為常地教授給學(xué)生右手螺旋定則是什么以及如何使用它,學(xué)生的任務(wù)則是將教師“告訴”的內(nèi)容記住.但鮮有人會疑問:為什么要用右手來判斷?它又是如何發(fā)展而來的?基于此,筆者嘗試梳理右手螺旋定則發(fā)展過程中的典型實(shí)驗,思考其給教學(xué)帶來的啟示.

1 右手螺旋定則的溯源

在1820年7月,丹麥物理學(xué)家奧斯特發(fā)現(xiàn)了電流的磁效應(yīng)現(xiàn)象之后,人們便被如何預(yù)測小磁針的北極往哪邊偏轉(zhuǎn)的問題所困擾.以下筆者梳理了從一開始用儀器來判斷至目前普遍為大家所使用的右手螺旋定則的發(fā)展過程.

圖1 畢奧-薩伐爾實(shí)驗裝置

圖2 數(shù)學(xué)證明

他們還給出了數(shù)學(xué)證明,通過磁針取一個垂直于導(dǎo)線的水平面,磁針的平衡位置如圖2所示.A、B是磁針的兩極,C是它的中心,F是導(dǎo)線與水平面的交點(diǎn).因為導(dǎo)線是無限長的,磁針的每個極受到的合力必定在水平面內(nèi).假定北極B受到的力沿BD方向,南極S受到的力沿AE方向.與導(dǎo)線距離相同處,導(dǎo)線對磁分子的作用是相同的,所以∠EAF=∠GBF.又因為磁針處于平衡狀態(tài),由實(shí)驗測得BA⊥CF,所以BD與AE必須與磁針有相同的傾角,即∠DBF=∠EAC,這就要求∠DBF=∠EAF.因此∠DBF=∠GBF.又因為∠DBF+∠GBF=180°,所以∠DBF=∠GBF=90°.[1]

圖3 判斷直導(dǎo)線產(chǎn)生的磁場方向的儀器

畢奧-薩伐爾只是數(shù)學(xué)上證明載流導(dǎo)線作用在磁針上的力垂直于其到導(dǎo)線的距離,仍未給出如何判斷方向,后續(xù)物理學(xué)家們開始設(shè)計和制造儀器,希望將方向判斷可視化.

(2) 如圖3所示,英國電氣工程師WilliamSturgeon(1825)制造了一個判斷載流直導(dǎo)線產(chǎn)生的磁場方向的儀器.該儀器有4個伏打電池和接線柱,兩兩成對,分別在小磁針的上下方形成線路.當(dāng)改變電路中電流的方向,可以實(shí)時地看到小磁針的偏轉(zhuǎn)方向,如表1所示.[2]

表1 實(shí)驗項目記錄表

該儀器制作材料易得,制作成本低,確實(shí)是一個不錯的儀器.但只是將奧斯特的4個實(shí)驗融合在一起,并且每次判斷方向之前都要將小磁針撥回原位,更關(guān)鍵是攜帶不方便.

圖4 假想的裝置圖

(3) 英國物理學(xué)家Henry Minchin Noad(1859)描述了一個儀器,如圖4所示.整個裝置由硬紙板制作而成,分成了3個部分,中間的AB板上有載流導(dǎo)線,一根木棍橫跨并鏈接著左右兩個磁盤.當(dāng)電流從正極流向負(fù)極,在磁場的方向為N極指向S極的作用下,根據(jù)左手定則,箭頭C會指向載流導(dǎo)線受力的方向.同理,保持磁場方向不變,可旋轉(zhuǎn)AB板,使得電流方向變?yōu)橛上峦?則箭頭C會指向里面.N極和S極磁盤也可旋轉(zhuǎn),其上面的箭頭方向則表示直導(dǎo)線在附近產(chǎn)生的磁場方向.[3]

這個裝置原理上可以判斷出直導(dǎo)線在磁場作用下受到的安培力方向和直導(dǎo)線在其周圍產(chǎn)生的磁場方向,但目前依然沒有證實(shí)磁單極的存在,而該裝置的N、S極磁盤卻指的是磁單極.

(4) 英國電氣工程師Fleeming Jenkin(1874)利用人們都熟悉的手表作為基本模型,提出了一個設(shè)想:將一根載流導(dǎo)線從手表的背部穿過,類比指針總是環(huán)繞手表的軸心轉(zhuǎn)動,直導(dǎo)線產(chǎn)生的磁場方向也是環(huán)繞軸心.軸上的小磁針便會受到直導(dǎo)線產(chǎn)生磁場的作用,從而顯示出它們轉(zhuǎn)動的方向,如圖5所示.[4]

圖5 手表模型

雖然儀器可以實(shí)時呈現(xiàn)出方向,但是畢竟攜帶不便,不可隨時隨地使用.Jenkin開始思考用日常生活用品來設(shè)計記憶方法,結(jié)合了人們所熟悉的手表順時針轉(zhuǎn)動或者逆時針轉(zhuǎn)動來描述,確實(shí)是一個不錯的助記方法.但是如果要制造出來的話,則需要考慮軸上的摩擦力、需要多大的電流才能產(chǎn)生足夠的磁場使得桿轉(zhuǎn)動起來等問題.

(5) 安培也嘗試給出了一個簡單的記憶方法,這就是后來著名的安培定則.愛爾蘭科學(xué)作家Lardner和英格蘭物理學(xué)家Carey Foster(1874)給出了一個陳述:“根據(jù)這個規(guī)則,你將會很輕易就記住小磁針的偏轉(zhuǎn)方向.設(shè)想你在電流的上面游著,臉面對著小磁針,則小磁針將會往你的左手方向偏轉(zhuǎn).”[5]也有其他的版本,你面對著小磁針,然后使得電流方向從你的腳部流向頭部,小磁針將會往你的左手方向偏轉(zhuǎn).(美國科學(xué)教師Silliman,1858)[6]或者使電流從你的頭部流向腳,則小磁針將會往右偏,如圖6所示.(美國數(shù)學(xué)家Loomis,1858)[7]

圖6 安培的助記法

安培也不需要運(yùn)用儀器,直接借助觀察者的身體,想象自己置身于電流所產(chǎn)生的磁場中,然后在電流的上方來判斷小磁針北極的偏轉(zhuǎn)方向.這想法雖然比較抽象,但很有啟發(fā)意義,即用人體本身的幾何特征來判斷.

(6) Hoadley(1900)提出了可以用右手來判斷,“把你的右手?jǐn)傞_,四指的方向指向電流的方向,并讓導(dǎo)向置于你的手掌之上,那么大拇指的方向就是電流產(chǎn)生磁場的方向,如圖7所示.”但這條規(guī)則有缺陷,它只適用于電流在手掌之上的情況,因此沒被廣泛使用.[8]

圖7 有缺陷的右手螺旋定則

(7) 1900年之后,教科書上才出現(xiàn)我們現(xiàn)在所熟悉的右手螺旋定則的表述： “用右手握著載流導(dǎo)線,大拇指的方向指向電流的方向,則四指環(huán)繞的方向就是磁場的方向,如圖8所示.”

圖8 現(xiàn)在的右手螺旋定則

可見,一開始物理學(xué)家們都傾向于用儀器來將方向可視化.但儀器攜帶不便,尤其是在學(xué)生做題的時候.在觀察和總結(jié)大量實(shí)驗數(shù)據(jù)后,物理學(xué)家們從簡便和教學(xué)的角度出發(fā),不斷在前人的基礎(chǔ)上思考如何用每個人基本都有的物體來作為判斷工具,例如前文Jenkin的手表模型和Hoadley提出用手.最后大家便總結(jié)并約定一個簡潔的記憶方法,右手螺旋定則.[9]在這個過程中,我們可以看到右手螺旋定則并非是一步到位的,其中更不乏物理學(xué)家們巧妙的設(shè)計和智慧的結(jié)晶,值得教師融入右手螺旋定則的教學(xué)中.

2 教學(xué)啟示

在物理教學(xué)中,不少教師追求短平快的效果,往往忽視了物理知識深厚的底蘊(yùn),總是以“純粹的”、“修正的”形式向?qū)W生展現(xiàn)出人類科學(xué)認(rèn)識的“終極成果”.這種教學(xué)方式雖然有利于縮短學(xué)生的認(rèn)識過程和提高教學(xué)效率,但也將知識認(rèn)識發(fā)展過程中的歷史曲折給抹平了.[10]因此,教師要著眼于發(fā)展學(xué)生的能力,應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生繼續(xù)深入思考到“為什么”的層面,了解物理知識的來龍去脈.為此,筆者思考分析后,得出以下3點(diǎn)關(guān)于課堂教學(xué)的啟示.

2.1 溯源物理知識的發(fā)展過程,完善學(xué)生的認(rèn)知體系

大部分教師習(xí)慣于運(yùn)用“告訴”的方式來教學(xué),然后以期通過大量訓(xùn)練來提高學(xué)生對物理知識的運(yùn)用能力.但學(xué)生對知識的來源明顯了解不足,導(dǎo)致不少學(xué)生認(rèn)為學(xué)物理只是為了高考,或者覺得物理定律得來毫不費(fèi)力,甚至埋怨自己生不逢時,不然就可以用自己的名字命名這條定律.[11]因此,教師有必要了解物理知識的發(fā)展過程,以期站在一定的高度重新審視教學(xué)內(nèi)容,在教學(xué)中選擇更合適角度切入.例如,教師普遍都是通過復(fù)述或者配合插圖比劃的方式來教授右手螺旋定則,屬于強(qiáng)行記憶.若教師事先了解右手螺旋定則的發(fā)展史,則不僅可以彌補(bǔ)關(guān)于“右手螺旋定則是怎么發(fā)展而來”這部分的認(rèn)知空缺,并且在這個過程中,學(xué)生會根據(jù)不同物理學(xué)家提出的方案,用右手螺旋定則與之比對,實(shí)際上是在不同情景學(xué)習(xí)使用右手螺旋定則,完善了學(xué)生的認(rèn)知體系,同時也讓學(xué)生了解到物理定律背后物理學(xué)家們的智慧和汗水.

2.2 加強(qiáng)問題意識,培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維

要想加強(qiáng)學(xué)生對物理知識認(rèn)知的完整性和邏輯性,還需要教師備課時加強(qiáng)問題意識,嘗試多站在學(xué)生的角度,對于所要教授的內(nèi)容,多問幾個“為什么”,從而啟發(fā)學(xué)生的深入思考.例如,在教授右手螺旋定則時,教師可提問:為什么會用右手來判斷直導(dǎo)線產(chǎn)生磁場的方向呢?學(xué)生可能回答,那是物理學(xué)家們通過實(shí)驗觀察總結(jié)而來的.那它又是如何發(fā)展而來的呢?難道一開始就想到用右手來判斷嗎?然后,學(xué)生便興趣盎然地聽教師講右手螺旋定則的發(fā)展過程.提問題的過程是一個深入思考的過程,然后教師將問題有機(jī)融入教學(xué)過程中,有效培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力.

2.3 挖掘物理學(xué)史上實(shí)驗的教育價值,增強(qiáng)學(xué)生的情感體驗

物理是一門以實(shí)驗為基礎(chǔ)的科學(xué),實(shí)驗在物理教學(xué)中起到十分重要的作用,不管是從物理學(xué)發(fā)展的歷史上還是學(xué)生的物理知識的理解上其作用都無可替代.[12]相比于教師口頭講實(shí)驗,若教師能挖掘物理學(xué)史上的實(shí)驗并進(jìn)行演示,或者組織學(xué)生進(jìn)行小組實(shí)驗.一方面可以向?qū)W生展示物理學(xué)家的智慧,另一方面可以培養(yǎng)學(xué)生熱愛科學(xué)、嚴(yán)格操作、認(rèn)真實(shí)驗的態(tài)度,增強(qiáng)學(xué)生的情感體驗.[13]例如,前文提到Sturgeon實(shí)驗儀器,他把奧斯特的4組實(shí)驗創(chuàng)新性地融合到一個儀器中.教師可以先指導(dǎo)學(xué)生自主完整奧斯特電流磁效應(yīng)的實(shí)驗,然后再演示Sturgeon的實(shí)驗.

3 結(jié)語

正如愛因斯坦所指出的“科學(xué)的結(jié)論幾乎是以完成的形式出現(xiàn)在讀者面前,讀者體驗不到探索和發(fā)現(xiàn)的喜悅,感覺不到思想形成的生動過程,也很難達(dá)到清楚地解釋全部情況.”因此,教師應(yīng)有意識地進(jìn)行“溯源”教學(xué),加強(qiáng)學(xué)生對物理知識認(rèn)知的邏輯性和完整性,以期在過程中培養(yǎng)其科學(xué)思維能力.

參考文獻(xiàn)：

1 向義和.物理學(xué)基本概念和基本定律溯源[M].北京:高等教育出版社,1994:106-107.

2 William Sturgeona famous son of Whittington[EB/OL].http://whittingtonvillage.org.uk/html_pages/william_sturgeon/william_sturgeon.html

3 Henry M.Noad.A Manual of Electricity[M].London:Lockwood&Co,1859:643.

4 Fleeming Jenkin.Electricity and Magnetism[M].London:Longmans,GreenandCo,1874:62.

5 Dionysius Lardner, edited by Geotge Garey Foster,Handbook of Natural Philosophy:Electricity,Magnetismand Acoustics[M].London:Lockwood&Co,1874:142.

6 Benjamin Silliman.First Principles of Physics,or Natural Philosophy,or Natural Philosophy[M].Philadelphia:H.C.Peck&Theo.Bliss,1858:648.

7 Elias Loomis.Elements of Natural Philosophy[M].NewYork:Harperand Brothers,1858:327.

8 George A,Hoadley.A Brief Coursein General Physics[M].NewYork:American Book Company,1900:311.

9 Right-handrule-Wikipedia[EB/OL].https://en.wikipedia.org/wiki/Right-hand_rule

10 王士平.引入物理學(xué)史,增強(qiáng)物理教學(xué)的歷史感[J].物理教師,1998(10):5-6.

11 張信軍.注重“溯源”教學(xué)培養(yǎng)創(chuàng)新思維[J].物理通報,2001(10):24-25.

12 王詩鋒.關(guān)于中學(xué)物理實(shí)驗教學(xué)的現(xiàn)狀調(diào)查及幾點(diǎn)思考[J].物理教師,2013(01):48-50.

13 魯世明.挖掘物理實(shí)驗教學(xué)價值促進(jìn)學(xué)生積極主動發(fā)展[J].物理教師,2016(05):27-30.