一種讓左手定則“退休”的方法

摘 要：判斷磁體間的相互作用力方向需要借助左手定則。而左手定則要求學(xué)生具有較強(qiáng)的抽象思維與空間思維能力，不少學(xué)生存在困難，而只通過觀測(cè)磁場方向就能分析磁體相互作用的效果值得嘗試。研究表明：兩個(gè)磁體之間的磁感應(yīng)線相反則二者吸引，相同則排斥；且任何磁體發(fā)生旋轉(zhuǎn)的目的都是為了與相互作用的物體吸引。該方法可直接看出磁體間相互作用的效果，無需左手定則。這既減輕了學(xué)生的學(xué)習(xí)負(fù)擔(dān)，又激發(fā)了學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)習(xí)效率。

關(guān)鍵詞：物理教學(xué)；磁場；觀察；效果

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-6148（2018）4-0056-3

高中磁場教學(xué)中，出現(xiàn)了很多作用力方向的判斷——安培力、洛倫茲力及小磁針兩極的受力方向。其中，小磁針兩極受力方向的判斷比較容易，而另兩種抽象作用力方向的判斷讓學(xué)生非?？鄲?。究其原因，是小磁針的N極受力方向與該處磁場方向相同，S極則相反。無論怎樣變化都可以通過觀察磁感應(yīng)線直接指出作用力方向。而安培力和洛倫茲力則需要用左手定則分析，立體化思維要求很高，學(xué)生無法直接觀察[1]。通過比較可以發(fā)現(xiàn)：如果力的方向可以通過觀察而直接看出來，就會(huì)簡單，且不易犯錯(cuò)。這個(gè)設(shè)想一旦實(shí)現(xiàn)，就意味著左手定則不再是判斷磁體作用力方向的唯一方法。這方面的研究并非首次[2-4]。定則是公認(rèn)的一種用于表達(dá)事物間內(nèi)在聯(lián)系的規(guī)定或法則，其目的是幫助理解和記憶。只要是符合科學(xué)規(guī)律，能夠讓學(xué)生易于掌握的方法就可以大量應(yīng)用，這也給了目前很多國內(nèi)外學(xué)者研究這類問題希望與動(dòng)力。

根據(jù)電磁學(xué)規(guī)律，磁體（包括電流）間有相互作用力是因?yàn)榇朋w的磁場，觀察兩個(gè)磁體的磁場特點(diǎn)，就能看出相互作用力的方向。磁場是磁體周圍存在的一種物質(zhì)，看不見，摸不到?？茖W(xué)家引入了磁感應(yīng)線解決了這一難點(diǎn)。所以，分析磁體的磁感應(yīng)線是看出安培力與洛倫茲力方向的關(guān)鍵。下面我們就嘗試根據(jù)磁體的磁感應(yīng)線看出力的作用效果。

首先，通過條形磁體觀察同名磁極相互排斥，異名磁極相互吸引，如圖1所示。兩磁體的磁感應(yīng)線應(yīng)該是決定作用力的主要因素。異名磁極之間的磁感應(yīng)線方向相反，相互吸引；同名磁極相互排斥，它們之間的磁感應(yīng)線方向相同。這與相應(yīng)的物理規(guī)律對(duì)應(yīng)。根據(jù)這一理論就不難解釋同向電流與異向電流的相互作用，如圖2所示。同向電流的磁感應(yīng)線方向相反，是吸引；異向電流的磁感應(yīng)線方向相同，是排斥。則若磁體可以自由轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)磁體發(fā)生作用，導(dǎo)致磁體發(fā)生旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)后兩者一定相互吸引，有很多情況可以證明這一結(jié)論。

圖3顯示的是一個(gè)條形磁鐵放在一個(gè)條形磁體的中間處。根據(jù)之前的知識(shí)，它們的作用力幾乎為0。的確，這兩者之間的磁感應(yīng)線在上方相同，而下方相反，所以作用力抵消。這與之前的結(jié)論一致。如果左邊磁體向上稍微移動(dòng)一下，上下兩個(gè)作用力不會(huì)抵消，根據(jù)力矩的知識(shí)可知它們的相互作用使二者發(fā)生旋轉(zhuǎn)，最終吸引到一起。這與一些實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象一致[5]。所以，我們更容易發(fā)現(xiàn)任何磁體作用導(dǎo)致磁體發(fā)生旋轉(zhuǎn)的結(jié)果就是吸引。通過三個(gè)事例和大量實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象[5]，我們有以下結(jié)論：

（1）兩個(gè)磁體的相互作用力可以由它們之間的磁感應(yīng)線判斷。

（2）磁感應(yīng)線方向相反則吸引，磁感應(yīng)線方向相同則排斥。

（3）任何磁體發(fā)生旋轉(zhuǎn)的結(jié)果都是相互吸引。

下面我們舉幾個(gè)例題加以驗(yàn)證。首先，還是從一道經(jīng)典的問題開始。

（啟東中學(xué)練習(xí)題）一個(gè)磁鐵置于水平桌面上，其正上方固定一根直導(dǎo)線，如圖4所示。當(dāng)直導(dǎo)線中通以如圖4方向的電流時(shí)，磁鐵保持靜止。下列結(jié)論正確的是（ ）

A.磁鐵對(duì)桌面的壓力減小

B.磁鐵對(duì)桌面的壓力增大

C.磁鐵對(duì)桌面施加向右的摩擦力

D.磁鐵所受的合外力減小

由前面的討論，首先要畫兩個(gè)磁體周圍的磁感應(yīng)線，如圖5所示。易發(fā)現(xiàn)兩者之間的磁感應(yīng)線方向是相反的，所以兩者相互吸引，磁鐵對(duì)桌面壓力減小。又由于線圈正好在磁體上方的正中央，下方磁體不存在向左或向右的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，自然不受摩擦力，故選A選項(xiàng)。

把本題變化一下，導(dǎo)線在上方偏左位置或改變電流方向放在偏右位置，結(jié)果又如何呢？如圖6所示，這時(shí)導(dǎo)線與磁體之間的磁感應(yīng)線方向總體反向，依然吸引，磁鐵對(duì)桌面壓力還是減小。但這次對(duì)兩個(gè)磁極的吸引力不等大，導(dǎo)線靠近N極，對(duì)N極的吸引更強(qiáng)，所以磁體應(yīng)有向左的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，桌面對(duì)磁鐵有向右的摩擦力。再看圖7，可以發(fā)現(xiàn)導(dǎo)線與磁體間的磁感應(yīng)線總體相同，兩者排斥，磁鐵對(duì)桌面壓力增大。又由于導(dǎo)線靠近S極，對(duì)S極的排斥力更明顯，所以磁體有向左的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，受到桌面的摩擦力向右。

經(jīng)過上述分析，通過觀察磁感應(yīng)線判斷相互作用力的方向，不僅直觀，而且步驟簡潔。所有的類似問題都可以借助此方法，同時(shí)具備以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）在電磁學(xué)中，學(xué)生需要不停地使用左手和右手進(jìn)行有關(guān)判斷，容易出現(xiàn)錯(cuò)誤。本方法只要求學(xué)生使用右手螺旋定則靈活畫出磁體和通電導(dǎo)線的磁感應(yīng)線即可。無需要再用左手定則判斷力的方向。

（2）該方法只要學(xué)生觀察磁感應(yīng)線，無需進(jìn)行復(fù)雜的抽象思維和空間思維。只要學(xué)生掌握三個(gè)結(jié)論，強(qiáng)化練習(xí)，相信所有學(xué)生都能快速解決這類問題。

（3）這三個(gè)結(jié)論不是憑空產(chǎn)生的，而是有理論與實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。尤其是第三個(gè)結(jié)論可以通過大量實(shí)驗(yàn)得到。這也為物理課堂提供了很好的實(shí)驗(yàn)素材，迎合物理核心素養(yǎng)的要求，有助于學(xué)生真正認(rèn)識(shí)到通電導(dǎo)線和磁鐵相互作用本質(zhì)上的統(tǒng)一性。

物理是一門抽象的學(xué)科，很多知識(shí)學(xué)生難以理解。墨守成規(guī)雖然可以實(shí)現(xiàn)科學(xué)思想的傳承，但新的方法如果能更快、更簡單、更不容易錯(cuò)，就可以嘗試將其應(yīng)用到物理教學(xué)中。實(shí)現(xiàn)物理可視化教學(xué)是一個(gè)漫長、艱辛的過程，但相信只要教師認(rèn)真研究，積極探索，一定可以讓學(xué)生真正體驗(yàn)科學(xué)的魅力，物理的真諦。

參考文獻(xiàn)：

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[3]張萱. “重過程”“一只手”“四句話” 徹底擺脫電磁學(xué)中左右手的困惑[J].中學(xué)物理，2014（2）：35.

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[5]張萱.用另一角度巧解安培力問題[J].物理教學(xué)探討， 2012，28（11）：36.