中学物理电磁学中的广义安培定则教育论文

中学物理电磁学中的广义安培定则教育论文

　　摘要：本文介绍了在中学物理电磁学中用一种新的定则来代替左、右手定则。

　　关键词：定则左手右手

　　在中学物理电磁学中，为判断电流的磁场方向、安培力的方向、洛伦兹力的方向、感应电流的方向而介绍了一系列的判断定则：如安培定则、左手定则、右手定则等。由于定则较多，而具体运用的方法又不同，所以学生在应用时常常出错。那么我们是否可以用一种新的定则来代替左、右定则呢？而且这种替代的定则既要方便，又非复杂，同时还需要含义十分明确，便于学生记忆。为此我们对电流的磁场，安培力、洛伦兹力、感应电流的物理含义反复进行讨论分析后发现，如果将安培定则进行适当的改进就能完全代替左、右手定则。我们把这一代替的定则叫“广义安培定则”。经过一段时间的试用，学生的错判率大为减少。现将这个“广义安培定则”介绍如下：

　　一、用“广义安培定则”判断电流磁场磁感线方向

　　对直线电流磁场磁感线方向判断仍采用高中物理课本上的方法，即用右手握住导线，让伸直的大拇指的指向跟电流方向—致，那么弯曲四指所指的方向就是磁感线的环绕的方向。

　　对环绕电流磁场的磁感线方向和通电螺线管内磁场磁感线的方向的判断，高中物理课本上虽然也是说用安培定则，但其内容即大拇指向和四指的指向都已变化。而“广义安培定则”仍采用课本上判断直线电流磁场的安培定则内容，也能方便的判断出环绕电流磁场方向和通电螺线管内磁场方向。

　　对环形电流，用右手握住环形导线的一部分，让大拇指仍指向电流方向，则弯曲的四指所指的方向，就是环形电流磁场的磁感线方向。

　　在判断通电螺线管内磁场的磁感线的方向时，我们可以把通电螺线管看成是若干个单匝的环形电流重叠所组成，因此仍能用“广义安培定则”来判断环内（即通电螺线管内）的磁感线方向、用此方法，不但可以判断通电螺线管内部的磁感线方向，还能画出通电螺线管内外磁感线的形成一系列闭合曲线，这样就可以弥补课本中只判断环形电流和通电螺线管内部的磁感线方向，而没有指出它们外部磁感线方向的不足。

　　二、用“广义安培定则”判断安培力的方向

　　由于安培力是通电导体在磁场中所受的作用力，这个力其实质是通过电流本身所形成的电流磁场与原磁场之间的相互作刚而产生的，为此，如果我们先用安培定则判断出通电导体磁感线的方向，然后与原磁场的磁感线方向进行比较，则安培力方向一定是指向这两个磁场方向相反的一侧，同样对洛伦兹力方向的判定与安培力方向的判断方法相同，只是把运动电荷看作一通电导体，正电荷的运动方向才是电流方向，用这个方法与左手定则来判断其结果是相同的。

　　例1判断两通电平行导线问的相臣作用力。

　　两通电平行导线间的相互作用力实质是两电流间的'作用力，故用安培定则分别判定他们的磁感线方向后，就可以根据它们磁感线方向的异同，直接判断他们之间的作用力是引力还是斥力，如通以同方向的电流时，用安培定则分别判断它们的磁感线方向，则两直导线之间的磁感线方向相反。外侧方向相同，所以它们之间的相互作用力都指向内侧，使它们相互靠拢而表现为引力。同理，当通以相反方向电流时，用安培定则判断出两直导体的外侧的磁感线方向相反，故它们之间的相互作用力都指向外侧，使它们分离而表现为斥力。

　　例2在下图1中已知外磁场的磁感线方向和带电粒子的速度方向，试判断运动电荷在磁场中受到的洛伦兹力方向？

　　在图1中，带箭头的虚线表示电流方向，与运动电荷方向相同，我们将运动电荷看作通电直导线，用安培定则判断磁场磁感线方向，即运动电荷上部的磁感线方向向外，下部向里、显然，其下部磁感线与外部磁场方向相反，所以运动电荷所受的洛伦兹力的方向是指向下面。如果在图1中是负电荷，用同样的方法可以判断出运动负电荷速度上方磁感线方向与外磁场方向相反，故粒子所受洛伦兹力的方向向上。

　　从上述两个例子中，可以看出用“广义安培定则可以代替“左手定则”来判断安培力的方向的。

　　三、用“广义安培定则”来判断感应电流的方向是完全

　　在运用“广义安培定则”时，要先让右手四指指向导体的运动方向，然后让四指弯曲90°。指向引起感应电流的磁场磁感线方向，则伸直的大拇指指向就是感应电流的方向。当然这一方法也只是适用于闭合导体的一部分在磁场中做切割磁感线运动的情况、用这种方法与用右手定则判断的结果是相同的。

　　例3判定闭合导体的一部分在磁场中做切割磁感线运动时的感应电流的方向，已知外磁场方向和导体截面运动方向如右图所示。

　　判断方法：先伸开右手，让四指指向导体的运动方向，然后让四指逐渐弯曲90°：指向磁场方向，则大拇指的指向就是感应电流的方向，(即导体内感应电流方向应垂直于纸面向里)其实，用这种方法判断也是符合能量守恒定律的。在图2中，当导体向上运动时，导体中所产生的感应电流使导体受到一个向下的安培力，此力将阻止导体向上运动，因此必须有外力去克服此力做功，才能使导体继续向上运动，在此过程中，外部的机械能就转化为感应电流的电能。

　　从上面改进可以得出，电磁学部分所提出的安培定则、左手定则、右手定则就是被统一于“广义安培定则”中。此时，只要学生只记住一只右手，而且大拇指始终代表电流方向，而弯曲的四指始终代表磁场方向，就能方便的判断出通电导体周围的磁场方向，通电导体在磁场中的安培力方向，以及闭合导体在磁场中做切割磁感线运动时所产生的感应电流方向。并旦“广义安培定则”还简化了左、右手定则的既要掌握三个方向，又要记住三个方向所表示的不同物理含义这一繁琐判断方法，从而实现了学生便于记忆的目的。