中學(xué)物理電磁學(xué)中的廣義安培定則教育論文
摘要：本文介紹了在中學(xué)物理電磁學(xué)中用一種新的定則來(lái)代替左、右手定則。
關(guān)鍵詞：定則左手右手
在中學(xué)物理電磁學(xué)中，為判斷電流的磁場(chǎng)方向、安培力的方向、洛倫茲力的方向、感應(yīng)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(yùn)用的方法又不同，所以學(xué)生在應(yīng)用時(shí)常常出錯(cuò)。那么我們是否可以用一種新的定則來(lái)代替左、右定則呢？而且這種替代的定則既要方便，又非復(fù)雜，同時(shí)還需要含義十分明確，便于學(xué)生記憶。為此我們對(duì)電流的磁場(chǎng)，安培力、洛倫茲力、感應(yīng)電流的物理含義反復(fù)進(jìn)行討論分析后發(fā)現(xiàn)，如果將安培定則進(jìn)行適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)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(guò)一段時(shí)間的試用，學(xué)生的錯(cuò)判率大為減少�，F(xiàn)將這個(gè)“廣義安培定則”介紹如下：
一、用“廣義安培定則”判斷電流磁場(chǎng)磁感線方向
對(duì)直線電流磁場(chǎng)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(dǎo)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(duì)環(huán)繞電流磁場(chǎng)的磁感線方向和通電螺線管內(nèi)磁場(chǎng)磁感線的方向的判斷，高中物理課本上雖然也是說(shuō)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(chǎng)的安培定則內(nèi)容，也能方便的判斷出環(huán)繞電流磁場(chǎng)方向和通電螺線管內(nèi)磁場(chǎng)方向。
對(duì)環(huán)形電流，用右手握住環(huán)形導(dǎo)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(chǎng)的磁感線方向。
在判斷通電螺線管內(nèi)磁場(chǎng)的磁感線的方向時(shí)，我們可以把通電螺線管看成是若干個(gè)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(lái)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(huà)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(bǔ)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(méi)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(dǎo)體在磁場(chǎng)中所受的作用力，這個(gè)力其實(shí)質(zhì)是通過(guò)電流本身所形成的電流磁場(chǎng)與原磁場(chǎng)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(dǎo)體磁感線的方向，然后與原磁場(chǎng)的磁感線方向進(jìn)行比較，則安培力方向一定是指向這兩個(gè)磁場(chǎng)方向相反的一側(cè)，同樣對(duì)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(yùn)動(dòng)電荷看作一通電導(dǎo)體，正電荷的運(yùn)動(dòng)方向才是電流方向，用這個(gè)方法與左手定則來(lái)判斷其結(jié)果是相同的。
例1判斷兩通電平行導(dǎo)線問(wèn)的相臣作用力。
兩通電平行導(dǎo)線間的相互作用力實(shí)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(shí)，用安培定則分別判斷它們的磁感線方向，則兩直導(dǎo)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(dāng)通以相反方向電流時(shí)，用安培定則判斷出兩直導(dǎo)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(chǎng)的磁感線方向和帶電粒子的速度方向，試判斷運(yùn)動(dòng)電荷在磁場(chǎng)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(yùn)動(dòng)電荷方向相同，我們將運(yùn)動(dòng)電荷看作通電直導(dǎo)線，用安培定則判斷磁場(chǎng)磁感線方向，即運(yùn)動(dòng)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(chǎng)方向相反，所以運(yùn)動(dòng)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(fù)電荷，用同樣的方法可以判斷出運(yùn)動(dòng)負(fù)電荷速度上方磁感線方向與外磁場(chǎng)方向相反，故粒子所受洛倫茲力的方向向上。
從上述兩個(gè)例子中，可以看出用“廣義安培定則可以代替“左手定則”來(lái)判斷安培力的方向的。
三、用“廣義安培定則”來(lái)判斷感應(yīng)電流的方向是完全
在運(yùn)用“廣義安培定則”時(shí)，要先讓右手四指指向?qū)w的運(yùn)動(dòng)方向，然后讓四指彎曲90°。指向引起感應(yīng)電流的磁場(chǎng)磁感線方向，則伸直的大拇指指向就是感應(yīng)電流的方向。當(dāng)然這一方法也只是適用于閉合導(dǎo)體的一部分在磁場(chǎng)中做切割磁感線運(yùn)動(dòng)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(dǎo)體的一部分在磁場(chǎng)中做切割磁感線運(yùn)動(dòng)時(shí)的感應(yīng)電流的方向，已知外磁場(chǎng)方向和導(dǎo)體截面運(yùn)動(dòng)方向如右圖所示。
判斷方法：先伸開(kāi)右手，讓四指指向?qū)w的運(yùn)動(dòng)方向，然后讓四指逐漸彎曲90°：指向磁場(chǎng)方向，則大拇指的指向就是感應(yīng)電流的方向，(即導(dǎo)體內(nèi)感應(yīng)電流方向應(yīng)垂直于紙面向里)其實(shí)，用這種方法判斷也是符合能量守恒定律的。在圖2中，當(dāng)導(dǎo)體向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)體中所產(chǎn)生的感應(yīng)電流使導(dǎo)體受到一個(gè)向下的安培力，此力將阻止導(dǎo)體向上運(yùn)動(dòng)，因此必須有外力去克服此力做功，才能使導(dǎo)體繼續(xù)向上運(yùn)動(dòng)，在此過(guò)程中，外部的機(jī)械能就轉(zhuǎn)化為感應(yīng)電流的電能。
從上面改進(jìn)可以得出，電磁學(xué)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(shí)，只要學(xué)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(chǎng)方向，就能方便的判斷出通電導(dǎo)體周圍的磁場(chǎng)方向，通電導(dǎo)體在磁場(chǎng)中的安培力方向，以及閉合導(dǎo)體在磁場(chǎng)中做切割磁感線運(yùn)動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的感應(yīng)電流方向。并旦“廣義安培定則”還簡(jiǎn)化了左、右手定則的既要掌握三個(gè)方向，又要記住三個(gè)方向所表示的不同物理含義這一繁瑣判斷方法，從而實(shí)現(xiàn)了學(xué)生便于記憶的目的。
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