宏觀轉(zhuǎn)微觀
——巧解安培力方向之疑

◆廣州市南沙第一中學(xué) 霍英糧 陳振朗

在新粵教版的物理選擇性必修二教材第一章第一節(jié)“安培力的大小和方向”的內(nèi)容中，對方向的探究只呈現(xiàn)了磁感應(yīng)強(qiáng)度與電流方向垂直的情況，而在大小的描述中，只給出了“當(dāng)通電直導(dǎo)線與磁場方向平行時(shí)，通電直導(dǎo)線所受安培力的大小為零”的結(jié)論，從理論上得出了安培力的一般表達(dá)式F=BILsinθ。然而，按書本上的實(shí)驗(yàn)裝置難以實(shí)現(xiàn)對磁場方向與電流方向平行的或有一定夾角的探究。

同學(xué)們不滿足于理論結(jié)果，想通過實(shí)驗(yàn)“看到”理論推導(dǎo)的結(jié)論。基于此，我們試圖設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證兩個(gè)現(xiàn)象：1.當(dāng)通電導(dǎo)線的電流方向與磁場方向平行時(shí)，通電導(dǎo)線不受安培力；2.當(dāng)電流方向與磁場方向有一定夾角（銳角）時(shí)，通電導(dǎo)線受安培力，并能直觀看到安培力方向。

圖/圖蟲創(chuàng)意

一、初次實(shí)驗(yàn)

（一）實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

使用空心銅管充當(dāng)通電導(dǎo)線，用相向的兩個(gè)強(qiáng)釹磁鐵制造小范圍的勻強(qiáng)磁場。當(dāng)空心銅管受到水平方向的力時(shí)，可在水平導(dǎo)軌上滾動(dòng)。除此之外，在該裝置下放一臺(tái)靈敏電子秤，檢測銅管豎直方向上受到的力。連接電路，開始實(shí)驗(yàn)，如圖1。

圖1

（二）實(shí)驗(yàn)過程

安裝好強(qiáng)釹磁鐵，使磁場方向與電流方向平行。閉合開關(guān)，銅管沒有移動(dòng)，電子秤示數(shù)無變化。

改變強(qiáng)釹磁鐵的位置，使電流方向與磁場方向在水平面存在一定夾角，理論分析銅管應(yīng)在豎直方向上受到安培力的作用。然而，當(dāng)我們閉合開關(guān)后，銅管并沒有移動(dòng)，電子秤示數(shù)也無變化。

（三）分析問題

我們分析了電路及操作過程，發(fā)現(xiàn)了以下問題。

1.在兩次實(shí)驗(yàn)中，電子秤示數(shù)都無變化，可能是在豎直方向未受到安培力。也可能是所受安培力太小，電子秤無法測量到。

2.在兩次實(shí)驗(yàn)中，銅管都沒有移動(dòng)，說明沒有受到水平方向的力，但無法說明豎直方向的安培力是否存在。

3.空心銅管太輕，與導(dǎo)軌接觸不良，可能導(dǎo)致電路中沒有電流。

4.電流和磁場太弱，導(dǎo)致安培力太小，現(xiàn)象不明顯。

基于以上可能性原因，我們經(jīng)過多次討論，覺得該實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)存在缺陷，結(jié)論不具備說服力。

運(yùn)用學(xué)過的知識(shí)，比如帶電粒子在磁場中受洛倫茲力、電流是大量電荷的定向移動(dòng)等，我們覺得可以從微觀角度入手再次開展實(shí)驗(yàn)。

二、再次實(shí)驗(yàn)

（一）實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

電流是通電導(dǎo)線內(nèi)自由電子定向移動(dòng)形成的，電子在磁場中受洛倫茲力作用，宏觀體現(xiàn)為安培力。因此我們借來了一臺(tái)洛倫茲力演示器，利用里面的勵(lì)磁線圈形成勻強(qiáng)磁場，用陰極射線管產(chǎn)生電子，探究電子在勻強(qiáng)磁場中的運(yùn)動(dòng)情況，如圖2。

圖2

（二）實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

把陰極射線管放入勵(lì)磁線圈中央，勵(lì)磁線圈通電后，我們可以清楚地看到兩個(gè)現(xiàn)象：1.當(dāng)磁場方向與電子發(fā)射方向平行時(shí)，電子沿原方向直線射出，無偏移，如圖3；2.當(dāng)磁場方向與電子發(fā)射方向在水平面存在一定夾角時(shí)，電子向上或向下偏移，如圖4。

圖3

圖4

（三）實(shí)驗(yàn)結(jié)論

現(xiàn)象1 說明，磁場方向與電流方向平行時(shí)，確實(shí)沒有受到安培力。現(xiàn)象2 說明，磁場方向與電流方向處于同一水平面并存在一定夾角時(shí)，受到安培力的影響，且安培力的方向?yàn)樨Q直向上或豎直向下。

由此我們找到了初次實(shí)驗(yàn)過程中，磁感應(yīng)強(qiáng)度方向與電流方向有一定夾角時(shí)，銅管不動(dòng)的原因：這時(shí)銅管受安培力的方向是豎直的。

三、實(shí)驗(yàn)感悟

通電銅管在磁場中不動(dòng)時(shí)，不能輕易定下銅管不受安培力作用的結(jié)論，也有在其他方向受力的可能。眼見不一定為實(shí)，動(dòng)手實(shí)驗(yàn)?zāi)軌驇椭覀兏玫赝高^現(xiàn)象看到事物的真面目。

“山重水復(fù)疑無路，柳暗花明又一村。”遇到麻煩或無法看到我們預(yù)期的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象時(shí)，換角度想辦法，堅(jiān)持不放棄，結(jié)果總能帶給我們驚喜。