中學物理電磁學中的廣義安培定則教育論文

　　摘要：本文介紹了在中學物理電磁學中用一種新的定則來代替左、右手定則。

　　關(guān)鍵詞：定則左手右手

　　在中學物理電磁學中，為判斷電流的磁場方向、安培力的方向、洛倫茲力的方向、感應電流的方向而介紹了一系列的判斷定則：如安培定則、左手定則、右手定則等。由于定則較多，而具體運用的方法又不同，所以學生在應用時常常出錯。那么我們是否可以用一種新的定則來代替左、右定則呢？而且這種替代的定則既要方便，又非復雜，同時還需要含義十分明確，便于學生記憶。為此我們對電流的磁場，安培力、洛倫茲力、感應電流的物理含義反復進行討論分析后發(fā)現(xiàn)，如果將安培定則進行適當?shù)母倪M就能完全代替左、右手定則。我們把這一代替的定則叫“廣義安培定則”。經(jīng)過一段時間的試用，學生的錯判率大為減少�，F(xiàn)將這個“廣義安培定則”介紹如下：

　　一、用“廣義安培定則”判斷電流磁場磁感線方向

　　對直線電流磁場磁感線方向判斷仍采用高中物理課本上的方法，即用右手握住導線，讓伸直的大拇指的指向跟電流方向—致，那么彎曲四指所指的方向就是磁感線的環(huán)繞的方向。

　　對環(huán)繞電流磁場的磁感線方向和通電螺線管內(nèi)磁場磁感線的方向的判斷，高中物理課本上雖然也是說用安培定則，但其內(nèi)容即大拇指向和四指的指向都已變化。而“廣義安培定則”仍采用課本上判斷直線電流磁場的安培定則內(nèi)容，也能方便的判斷出環(huán)繞電流磁場方向和通電螺線管內(nèi)磁場方向。

　　對環(huán)形電流，用右手握住環(huán)形導線的一部分，讓大拇指仍指向電流方向，則彎曲的四指所指的方向，就是環(huán)形電流磁場的磁感線方向。

　　在判斷通電螺線管內(nèi)磁場的磁感線的方向時，我們可以把通電螺線管看成是若干個單匝的環(huán)形電流重疊所組成，因此仍能用“廣義安培定則”來判斷環(huán)內(nèi)（即通電螺線管內(nèi)）的磁感線方向、用此方法，不但可以判斷通電螺線管內(nèi)部的磁感線方向，還能畫出通電螺線管內(nèi)外磁感線的形成一系列閉合曲線，這樣就可以彌補課本中只判斷環(huán)形電流和通電螺線管內(nèi)部的磁感線方向，而沒有指出它們外部磁感線方向的不足。

　　二、用“廣義安培定則”判斷安培力的方向

　　由于安培力是通電導體在磁場中所受的作用力，這個力其實質(zhì)是通過電流本身所形成的電流磁場與原磁場之間的相互作剛而產(chǎn)生的，為此，如果我們先用安培定則判斷出通電導體磁感線的方向，然后與原磁場的磁感線方向進行比較，則安培力方向一定是指向這兩個磁場方向相反的一側(cè)，同樣對洛倫茲力方向的判定與安培力方向的判斷方法相同，只是把運動電荷看作一通電導體，正電荷的運動方向才是電流方向，用這個方法與左手定則來判斷其結(jié)果是相同的。

　　例1判斷兩通電平行導線問的相臣作用力。

　　兩通電平行導線間的相互作用力實質(zhì)是兩電流間的'作用力，故用安培定則分別判定他們的磁感線方向后，就可以根據(jù)它們磁感線方向的異同，直接判斷他們之間的作用力是引力還是斥力，如通以同方向的電流時，用安培定則分別判斷它們的磁感線方向，則兩直導線之間的磁感線方向相反。外側(cè)方向相同，所以它們之間的相互作用力都指向內(nèi)側(cè)，使它們相互靠攏而表現(xiàn)為引力。同理，當通以相反方向電流時，用安培定則判斷出兩直導體的外側(cè)的磁感線方向相反，故它們之間的相互作用力都指向外側(cè)，使它們分離而表現(xiàn)為斥力。

　　例2在下圖1中已知外磁場的磁感線方向和帶電粒子的速度方向，試判斷運動電荷在磁場中受到的洛倫茲力方向？

　　在圖1中，帶箭頭的虛線表示電流方向，與運動電荷方向相同，我們將運動電荷看作通電直導線，用安培定則判斷磁場磁感線方向，即運動電荷上部的磁感線方向向外，下部向里、顯然，其下部磁感線與外部磁場方向相反，所以運動電荷所受的洛倫茲力的方向是指向下面。如果在圖1中是負電荷，用同樣的方法可以判斷出運動負電荷速度上方磁感線方向與外磁場方向相反，故粒子所受洛倫茲力的方向向上。

　　從上述兩個例子中，可以看出用“廣義安培定則可以代替“左手定則”來判斷安培力的方向的。

　　三、用“廣義安培定則”來判斷感應電流的方向是完全

　　在運用“廣義安培定則”時，要先讓右手四指指向?qū)�體的運動方向，然后讓四指彎曲90°。指向引起感應電流的磁場磁感線方向，則伸直的大拇指指向就是感應電流的方向。當然這一方法也只是適用于閉合導體的一部分在磁場中做切割磁感線運動的情況、用這種方法與用右手定則判斷的結(jié)果是相同的。

　　例3判定閉合導體的一部分在磁場中做切割磁感線運動時的感應電流的方向，已知外磁場方向和導體截面運動方向如右圖所示。

　　判斷方法：先伸開右手，讓四指指向?qū)�體的運動方向，然后讓四指逐漸彎曲90°：指向磁場方向，則大拇指的指向就是感應電流的方向，(即導體內(nèi)感應電流方向應垂直于紙面向里)其實，用這種方法判斷也是符合能量守恒定律的。在圖2中，當導體向上運動時，導體中所產(chǎn)生的感應電流使導體受到一個向下的安培力，此力將阻止導體向上運動，因此必須有外力去克服此力做功，才能使導體繼續(xù)向上運動，在此過程中，外部的機械能就轉(zhuǎn)化為感應電流的電能。

　　從上面改進可以得出，電磁學部分所提出的安培定則、左手定則、右手定則就是被統(tǒng)一于“廣義安培定則”中。此時，只要學生只記住一只右手，而且大拇指始終代表電流方向，而彎曲的四指始終代表磁場方向，就能方便的判斷出通電導體周圍的磁場方向，通電導體在磁場中的安培力方向，以及閉合導體在磁場中做切割磁感線運動時所產(chǎn)生的感應電流方向。并旦“廣義安培定則”還簡化了左、右手定則的既要掌握三個方向，又要記住三個方向所表示的不同物理含義這一繁瑣判斷方法，從而實現(xiàn)了學生便于記憶的目的。