張翌

蘭州資源環(huán)境職業(yè)技術(shù)學(xué)院

【摘 要】畢奧-薩伐爾定律是電磁學(xué)中一個十分重要的定律，它是由法國著名的科學(xué)家畢奧和薩伐爾經(jīng)過長期合作研究得出的實驗結(jié)果。這項實驗主要研究的是載流長直導(dǎo)線對磁極的作用反比于距離，同時還對電流對磁極作用力的影響進(jìn)行了確定。為了更好地掌握畢-薩定律，文章針對普通物理中這項定律的教學(xué)進(jìn)行了詳細(xì)的研究和分析。

【關(guān)鍵詞】普通物理 畢奧-薩伐爾定律 教學(xué)研究

作為電磁學(xué)中的一項基本規(guī)律，畢奧-薩伐爾定律第一次指出了電磁之間的量化關(guān)系和作用，對電磁學(xué)的發(fā)展有著極大的影響和意義。這項定律中包含的基本物理思想和方法，對現(xiàn)代物理的發(fā)展起到了十分重要的影響。一般情況下，普通物理教材中對這項定律進(jìn)行引用的方法為：首先對磁感應(yīng)強(qiáng)度進(jìn)行定義，然后給出畢奧-薩伐爾定律的結(jié)論，最后把讀者的注意力引向解題和計算[1]。但是筆者認(rèn)為在實際引用的過程中，這種方式還存在明顯的不足。因此本文將對普通物理中畢奧-薩伐爾定律的教學(xué)進(jìn)行深入的研究，希望能夠有效地解決存在的問題。

一、建立畢奧-薩伐爾定律的實驗過程

過去由于受到庫侖定律的影響，很多科學(xué)家都相信電和磁之間不存在相應(yīng)的關(guān)系，在進(jìn)行研究的時候也是將電和磁分別開來。后來丹麥物理學(xué)家奧斯特在研究中發(fā)現(xiàn)了電流的磁效應(yīng)，這一消息迅速傳到了法國的科學(xué)界，僅僅一周的時間，安培就取得了重要的研究成果。與此同時，畢奧和薩伐爾進(jìn)行了相關(guān)的電磁的實驗，并且在法國科學(xué)院會議上做了重要報告。他們發(fā)現(xiàn)：磁針的南極和北極被載流長直導(dǎo)線施加的力都反比于磁極與導(dǎo)線之間的距離。這個實驗結(jié)果是人類第一次對電流磁效應(yīng)的定量研究[2]。

（一）實驗原理

畢奧和薩伐爾應(yīng)用實驗的方法建立了畢奧-薩伐爾定律。整個實驗原理可以分為三方面：第一，在對小磁針的受力狀況進(jìn)行測量的過程中應(yīng)用了磁針的振蕩周期法，準(zhǔn)確地求出磁力反比于振蕩周期的平方數(shù)，巧妙地通過震蕩周期間接地測量載流直導(dǎo)線產(chǎn)生的作用在磁場上的力；第二，為了更好地消除地磁場對實驗的影響，他們通過補(bǔ)償法避免了實驗中地磁場對磁針磁化產(chǎn)生的誤差，提高了實驗的精確度；第三，根據(jù)具有對稱性的彎折導(dǎo)線作用在磁極上的力的實驗，求解作用力的大小和彎折角度的關(guān)系，并且導(dǎo)出定量的公式。因此，從一些特殊的電流產(chǎn)生的磁場導(dǎo)出電流源產(chǎn)生磁場的一般公式，就是畢奧-薩伐爾定律實驗過程的實質(zhì)[3]。

（二）磁現(xiàn)象的電流本質(zhì)

安培在進(jìn)行實驗的時候，首先是將奧斯特的實驗進(jìn)行了重復(fù)，同時他也在思考一個更具深度的問題，就是：磁只能通過電流產(chǎn)生嗎？磁的本質(zhì)究竟是什么？為了更好地對這一系列問題進(jìn)行解答，安培首先做了一個對比，之后又先后進(jìn)行了三次實驗。安培認(rèn)為在磁體間的作用都是磁最基本的現(xiàn)象和反映，因此之后他又將奧斯特實驗和次體檢的基本作用進(jìn)行了相應(yīng)的對比。因為他認(rèn)為在奧斯特的實驗過程中電流基本上都被當(dāng)成了磁體，所以也是主要的施力磁體。那么究竟電流能否充當(dāng)受力的磁體呢？針對這一問題，安培也進(jìn)行了相關(guān)的實驗。通過實驗，安培發(fā)現(xiàn)電流確實能夠充當(dāng)基本的受力磁體。在不斷地實驗和探究過程中，他對很多之前存在的問題都進(jìn)行了相應(yīng)的分析和解答。因此通過大量的實驗，安培又在原本實驗的基礎(chǔ)上進(jìn)行了大膽的假設(shè)：磁性物質(zhì)中由于真實的存在分子電流，因此磁現(xiàn)象真正的發(fā)源是由電流形成的[4]。

二、畢奧-薩伐爾定律的體驗和理解

（一）磁與電流間的量化關(guān)系

雖然之前安培對很多電流的問題進(jìn)行了研究和分析，但是在磁和電流間的量化關(guān)系究竟是什么，對于這一問題得到了相應(yīng)的進(jìn)展的是畢奧和薩伐爾。他們在對這一問題進(jìn)行研究的時候，首先是將奧斯特之前的實驗進(jìn)行了重復(fù)，同時在奧斯特原本的實驗基礎(chǔ)上也對實驗裝置進(jìn)行了完善和改進(jìn)，因此形成了畢奧-薩伐爾裝置。在這項實驗裝置中，導(dǎo)線一經(jīng)通電，那么兩磁極同時受力，但是圓盤上的系統(tǒng)還是相應(yīng)地保持靜止?fàn)顟B(tài)。因此他們通過這一實驗結(jié)果得出的結(jié)論是：兩個磁力相對應(yīng)的導(dǎo)線磁力的大小是相等的，但是由于方向是相反的，因此兩者之間的作用力被相互抵消；同時由于磁力和電流的強(qiáng)度是成正比的，因此直線電流對磁極的作用力和電流的強(qiáng)度也是成正比的。

（二）畢奧-薩伐爾定律的體驗

由于畢奧-薩伐爾的實驗是在很多前提實驗的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，因此我們在和其他的物理定律進(jìn)行對比的時候能夠很明顯地發(fā)現(xiàn)它們之間有很多共同的特點，但是在整體實驗的方向感還是存在很大差別的。比如在進(jìn)行實驗的過程中，在同樣一個平面內(nèi)，有兩個方向垂直的兩個電流元，我們只要熟練地掌握了畢奧-薩伐爾定律，那么就很容易對磁感應(yīng)的強(qiáng)度做出分析和判斷，對我們學(xué)習(xí)電流指示也有著很大的幫助和影響[5]。

（三）畢奧-薩伐爾定律的理解

我們在學(xué)習(xí)物理的時候有一個十分常見的定則叫作“左手定則”。因此我們在對上文中的例子進(jìn)行研究的過程中，想要更好地將問題進(jìn)行簡化，首先可以將電路中的其他環(huán)節(jié)去除。也就是說在同一個空間中只存在兩個電流元，那么在對這一問題進(jìn)行研究的過程中，我們就可以認(rèn)為這兩個電流元是在電荷元低速的運行過程中產(chǎn)生和出現(xiàn)的，因此在他們之間所產(chǎn)生的磁力實際上是沒有滿足牛頓第三定律的。

我們在對定律進(jìn)行研究的過程中，通過實驗的方式最終得出了磁現(xiàn)象的電流本質(zhì)。因此在現(xiàn)代物理理論中我們發(fā)現(xiàn)，無論是電流還是分子電流，都是電荷的運動。因此可以說，電磁現(xiàn)象的本質(zhì)都是起源于最基本的電荷運動。在對定律建立的研究過程中，我們通過實驗、對比等方式得到了畢奧-薩伐爾定律，同時我們還在這一定律中通過對實驗現(xiàn)象的研究和分析，得出了相關(guān)的實驗結(jié)論，對今后普通物理教學(xué)的開展將起到極大的幫助。同時，學(xué)生在對這一物理問題進(jìn)行理解的過程中也將有更明確的認(rèn)識，對今后物理課程的學(xué)習(xí)和開展將起到有效的促進(jìn)作用[6]。

三、結(jié)束語

本文對畢奧-薩伐爾定律的建立過程進(jìn)行了詳細(xì)的研究和分析，同時也對基本的實驗原理和相關(guān)的環(huán)節(jié)進(jìn)行了詳細(xì)的闡述。物理本身就是一項比較枯燥的學(xué)科，并且這門學(xué)科的實驗性比較強(qiáng)，學(xué)習(xí)定律和實驗是不可分割的。加強(qiáng)對這類定律的分析和研究，不僅有助于教師更好地開展教學(xué)，也有助于學(xué)生更好地進(jìn)行物理學(xué)習(xí)。在對定律的研究過程中，通過實驗，學(xué)生對物理有了新的認(rèn)識和理解。因此，在今后的學(xué)習(xí)過程中，教師要更好地對相關(guān)的定律進(jìn)行研究，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)的過程中對問題的本質(zhì)進(jìn)行研究。這樣才能更有利于普通物理教學(xué)的開展和發(fā)展，有利于促進(jìn)整體物理教學(xué)水平的提高。

【參考文獻(xiàn)】

[1]高卓，孫作江，劉鵬，等.畢奧-薩伐爾定律的教學(xué)研究[J].物理與工程，2014，24（06）：43-46.

[2]呼和滿都拉，冀文慧，楊洪濤，等.畢奧-薩伐爾定律建立的探討[J].物理通報，2014，28（11）：18-23.

[3]孟祥國，張寶鋒，崔風(fēng)華，等.由麥克斯韋方程組推導(dǎo)出畢奧-薩伐爾定律的幾種方法[J].聊城大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2014，17（01）：25-26，65.

[4]王較過.畢奧-薩伐爾定律的建立過程[J].四川師范大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2011，24（06）：614-617.

[5]周武雷.畢奧-薩伐爾定律的教育價值評述[J].中國科教創(chuàng)新導(dǎo)刊，2009，35（28）：81，83.

[6]高志華，何俊.畢奧-薩伐爾定律的教學(xué)研究[J].物理通報，2007（10）：18-19.