肖凱龍 張軍朋

(華南師范大學(xué)物理與電信工程學(xué)院,廣東 廣州 510006)

右手螺旋定則可幫助我們快速地判斷出載流直導(dǎo)線產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向,教師也習(xí)以為常地教授給學(xué)生右手螺旋定則是什么以及如何使用它,學(xué)生的任務(wù)則是將教師“告訴”的內(nèi)容記住.但鮮有人會(huì)疑問(wèn):為什么要用右手來(lái)判斷?它又是如何發(fā)展而來(lái)的?基于此,筆者嘗試梳理右手螺旋定則發(fā)展過(guò)程中的典型實(shí)驗(yàn),思考其給教學(xué)帶來(lái)的啟示.

1 右手螺旋定則的溯源

在1820年7月,丹麥物理學(xué)家?jiàn)W斯特發(fā)現(xiàn)了電流的磁效應(yīng)現(xiàn)象之后,人們便被如何預(yù)測(cè)小磁針的北極往哪邊偏轉(zhuǎn)的問(wèn)題所困擾.以下筆者梳理了從一開(kāi)始用儀器來(lái)判斷至目前普遍為大家所使用的右手螺旋定則的發(fā)展過(guò)程.

圖1 畢奧-薩伐爾實(shí)驗(yàn)裝置

圖2 數(shù)學(xué)證明

他們還給出了數(shù)學(xué)證明,通過(guò)磁針取一個(gè)垂直于導(dǎo)線的水平面,磁針的平衡位置如圖2所示.A、B是磁針的兩極,C是它的中心,F是導(dǎo)線與水平面的交點(diǎn).因?yàn)閷?dǎo)線是無(wú)限長(zhǎng)的,磁針的每個(gè)極受到的合力必定在水平面內(nèi).假定北極B受到的力沿BD方向,南極S受到的力沿AE方向.與導(dǎo)線距離相同處,導(dǎo)線對(duì)磁分子的作用是相同的,所以∠EAF=∠GBF.又因?yàn)榇裴樚幱谄胶鉅顟B(tài),由實(shí)驗(yàn)測(cè)得BA⊥CF,所以BD與AE必須與磁針有相同的傾角,即∠DBF=∠EAC,這就要求∠DBF=∠EAF.因此∠DBF=∠GBF.又因?yàn)椤螪BF+∠GBF=180°,所以∠DBF=∠GBF=90°.[1]

圖3 判斷直導(dǎo)線產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向的儀器

畢奧-薩伐爾只是數(shù)學(xué)上證明載流導(dǎo)線作用在磁針上的力垂直于其到導(dǎo)線的距離,仍未給出如何判斷方向,后續(xù)物理學(xué)家們開(kāi)始設(shè)計(jì)和制造儀器,希望將方向判斷可視化.

(2) 如圖3所示,英國(guó)電氣工程師WilliamSturgeon(1825)制造了一個(gè)判斷載流直導(dǎo)線產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向的儀器.該儀器有4個(gè)伏打電池和接線柱,兩兩成對(duì),分別在小磁針的上下方形成線路.當(dāng)改變電路中電流的方向,可以實(shí)時(shí)地看到小磁針的偏轉(zhuǎn)方向,如表1所示.[2]

表1 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目記錄表

該儀器制作材料易得,制作成本低,確實(shí)是一個(gè)不錯(cuò)的儀器.但只是將奧斯特的4個(gè)實(shí)驗(yàn)融合在一起,并且每次判斷方向之前都要將小磁針撥回原位,更關(guān)鍵是攜帶不方便.

圖4 假想的裝置圖

(3) 英國(guó)物理學(xué)家Henry Minchin Noad(1859)描述了一個(gè)儀器,如圖4所示.整個(gè)裝置由硬紙板制作而成,分成了3個(gè)部分,中間的AB板上有載流導(dǎo)線,一根木棍橫跨并鏈接著左右兩個(gè)磁盤(pán).當(dāng)電流從正極流向負(fù)極,在磁場(chǎng)的方向?yàn)镹極指向S極的作用下,根據(jù)左手定則,箭頭C會(huì)指向載流導(dǎo)線受力的方向.同理,保持磁場(chǎng)方向不變,可旋轉(zhuǎn)AB板,使得電流方向變?yōu)橛上峦?則箭頭C會(huì)指向里面.N極和S極磁盤(pán)也可旋轉(zhuǎn),其上面的箭頭方向則表示直導(dǎo)線在附近產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向.[3]

這個(gè)裝置原理上可以判斷出直導(dǎo)線在磁場(chǎng)作用下受到的安培力方向和直導(dǎo)線在其周圍產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向,但目前依然沒(méi)有證實(shí)磁單極的存在,而該裝置的N、S極磁盤(pán)卻指的是磁單極.

(4) 英國(guó)電氣工程師Fleeming Jenkin(1874)利用人們都熟悉的手表作為基本模型,提出了一個(gè)設(shè)想:將一根載流導(dǎo)線從手表的背部穿過(guò),類比指針總是環(huán)繞手表的軸心轉(zhuǎn)動(dòng),直導(dǎo)線產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向也是環(huán)繞軸心.軸上的小磁針便會(huì)受到直導(dǎo)線產(chǎn)生磁場(chǎng)的作用,從而顯示出它們轉(zhuǎn)動(dòng)的方向,如圖5所示.[4]

圖5 手表模型

雖然儀器可以實(shí)時(shí)呈現(xiàn)出方向,但是畢竟攜帶不便,不可隨時(shí)隨地使用.Jenkin開(kāi)始思考用日常生活用品來(lái)設(shè)計(jì)記憶方法,結(jié)合了人們所熟悉的手表順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)或者逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)描述,確實(shí)是一個(gè)不錯(cuò)的助記方法.但是如果要制造出來(lái)的話,則需要考慮軸上的摩擦力、需要多大的電流才能產(chǎn)生足夠的磁場(chǎng)使得桿轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)等問(wèn)題.

(5) 安培也嘗試給出了一個(gè)簡(jiǎn)單的記憶方法,這就是后來(lái)著名的安培定則.愛(ài)爾蘭科學(xué)作家Lardner和英格蘭物理學(xué)家Carey Foster(1874)給出了一個(gè)陳述:“根據(jù)這個(gè)規(guī)則,你將會(huì)很輕易就記住小磁針的偏轉(zhuǎn)方向.設(shè)想你在電流的上面游著,臉面對(duì)著小磁針,則小磁針將會(huì)往你的左手方向偏轉(zhuǎn).”[5]也有其他的版本,你面對(duì)著小磁針,然后使得電流方向從你的腳部流向頭部,小磁針將會(huì)往你的左手方向偏轉(zhuǎn).(美國(guó)科學(xué)教師Silliman,1858)[6]或者使電流從你的頭部流向腳,則小磁針將會(huì)往右偏,如圖6所示.(美國(guó)數(shù)學(xué)家Loomis,1858)[7]

圖6 安培的助記法

安培也不需要運(yùn)用儀器,直接借助觀察者的身體,想象自己置身于電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)中,然后在電流的上方來(lái)判斷小磁針北極的偏轉(zhuǎn)方向.這想法雖然比較抽象,但很有啟發(fā)意義,即用人體本身的幾何特征來(lái)判斷.

(6) Hoadley(1900)提出了可以用右手來(lái)判斷,“把你的右手?jǐn)傞_(kāi),四指的方向指向電流的方向,并讓導(dǎo)向置于你的手掌之上,那么大拇指的方向就是電流產(chǎn)生磁場(chǎng)的方向,如圖7所示.”但這條規(guī)則有缺陷,它只適用于電流在手掌之上的情況,因此沒(méi)被廣泛使用.[8]

圖7 有缺陷的右手螺旋定則

(7) 1900年之后,教科書(shū)上才出現(xiàn)我們現(xiàn)在所熟悉的右手螺旋定則的表述： “用右手握著載流導(dǎo)線,大拇指的方向指向電流的方向,則四指環(huán)繞的方向就是磁場(chǎng)的方向,如圖8所示.”

圖8 現(xiàn)在的右手螺旋定則

可見(jiàn),一開(kāi)始物理學(xué)家們都傾向于用儀器來(lái)將方向可視化.但儀器攜帶不便,尤其是在學(xué)生做題的時(shí)候.在觀察和總結(jié)大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)后,物理學(xué)家們從簡(jiǎn)便和教學(xué)的角度出發(fā),不斷在前人的基礎(chǔ)上思考如何用每個(gè)人基本都有的物體來(lái)作為判斷工具,例如前文Jenkin的手表模型和Hoadley提出用手.最后大家便總結(jié)并約定一個(gè)簡(jiǎn)潔的記憶方法,右手螺旋定則.[9]在這個(gè)過(guò)程中,我們可以看到右手螺旋定則并非是一步到位的,其中更不乏物理學(xué)家們巧妙的設(shè)計(jì)和智慧的結(jié)晶,值得教師融入右手螺旋定則的教學(xué)中.

2 教學(xué)啟示

在物理教學(xué)中,不少教師追求短平快的效果,往往忽視了物理知識(shí)深厚的底蘊(yùn),總是以“純粹的”、“修正的”形式向?qū)W生展現(xiàn)出人類科學(xué)認(rèn)識(shí)的“終極成果”.這種教學(xué)方式雖然有利于縮短學(xué)生的認(rèn)識(shí)過(guò)程和提高教學(xué)效率,但也將知識(shí)認(rèn)識(shí)發(fā)展過(guò)程中的歷史曲折給抹平了.[10]因此,教師要著眼于發(fā)展學(xué)生的能力,應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生繼續(xù)深入思考到“為什么”的層面,了解物理知識(shí)的來(lái)龍去脈.為此,筆者思考分析后,得出以下3點(diǎn)關(guān)于課堂教學(xué)的啟示.

2.1 溯源物理知識(shí)的發(fā)展過(guò)程,完善學(xué)生的認(rèn)知體系

大部分教師習(xí)慣于運(yùn)用“告訴”的方式來(lái)教學(xué),然后以期通過(guò)大量訓(xùn)練來(lái)提高學(xué)生對(duì)物理知識(shí)的運(yùn)用能力.但學(xué)生對(duì)知識(shí)的來(lái)源明顯了解不足,導(dǎo)致不少學(xué)生認(rèn)為學(xué)物理只是為了高考,或者覺(jué)得物理定律得來(lái)毫不費(fèi)力,甚至埋怨自己生不逢時(shí),不然就可以用自己的名字命名這條定律.[11]因此,教師有必要了解物理知識(shí)的發(fā)展過(guò)程,以期站在一定的高度重新審視教學(xué)內(nèi)容,在教學(xué)中選擇更合適角度切入.例如,教師普遍都是通過(guò)復(fù)述或者配合插圖比劃的方式來(lái)教授右手螺旋定則,屬于強(qiáng)行記憶.若教師事先了解右手螺旋定則的發(fā)展史,則不僅可以彌補(bǔ)關(guān)于“右手螺旋定則是怎么發(fā)展而來(lái)”這部分的認(rèn)知空缺,并且在這個(gè)過(guò)程中,學(xué)生會(huì)根據(jù)不同物理學(xué)家提出的方案,用右手螺旋定則與之比對(duì),實(shí)際上是在不同情景學(xué)習(xí)使用右手螺旋定則,完善了學(xué)生的認(rèn)知體系,同時(shí)也讓學(xué)生了解到物理定律背后物理學(xué)家們的智慧和汗水.

2.2 加強(qiáng)問(wèn)題意識(shí),培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維

要想加強(qiáng)學(xué)生對(duì)物理知識(shí)認(rèn)知的完整性和邏輯性,還需要教師備課時(shí)加強(qiáng)問(wèn)題意識(shí),嘗試多站在學(xué)生的角度,對(duì)于所要教授的內(nèi)容,多問(wèn)幾個(gè)“為什么”,從而啟發(fā)學(xué)生的深入思考.例如,在教授右手螺旋定則時(shí),教師可提問(wèn):為什么會(huì)用右手來(lái)判斷直導(dǎo)線產(chǎn)生磁場(chǎng)的方向呢?學(xué)生可能回答,那是物理學(xué)家們通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀察總結(jié)而來(lái)的.那它又是如何發(fā)展而來(lái)的呢?難道一開(kāi)始就想到用右手來(lái)判斷嗎?然后,學(xué)生便興趣盎然地聽(tīng)教師講右手螺旋定則的發(fā)展過(guò)程.提問(wèn)題的過(guò)程是一個(gè)深入思考的過(guò)程,然后教師將問(wèn)題有機(jī)融入教學(xué)過(guò)程中,有效培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力.

2.3 挖掘物理學(xué)史上實(shí)驗(yàn)的教育價(jià)值,增強(qiáng)學(xué)生的情感體驗(yàn)

物理是一門(mén)以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的科學(xué),實(shí)驗(yàn)在物理教學(xué)中起到十分重要的作用,不管是從物理學(xué)發(fā)展的歷史上還是學(xué)生的物理知識(shí)的理解上其作用都無(wú)可替代.[12]相比于教師口頭講實(shí)驗(yàn),若教師能挖掘物理學(xué)史上的實(shí)驗(yàn)并進(jìn)行演示,或者組織學(xué)生進(jìn)行小組實(shí)驗(yàn).一方面可以向?qū)W生展示物理學(xué)家的智慧,另一方面可以培養(yǎng)學(xué)生熱愛(ài)科學(xué)、嚴(yán)格操作、認(rèn)真實(shí)驗(yàn)的態(tài)度,增強(qiáng)學(xué)生的情感體驗(yàn).[13]例如,前文提到Sturgeon實(shí)驗(yàn)儀器,他把奧斯特的4組實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新性地融合到一個(gè)儀器中.教師可以先指導(dǎo)學(xué)生自主完整奧斯特電流磁效應(yīng)的實(shí)驗(yàn),然后再演示Sturgeon的實(shí)驗(yàn).

3 結(jié)語(yǔ)

正如愛(ài)因斯坦所指出的“科學(xué)的結(jié)論幾乎是以完成的形式出現(xiàn)在讀者面前,讀者體驗(yàn)不到探索和發(fā)現(xiàn)的喜悅,感覺(jué)不到思想形成的生動(dòng)過(guò)程,也很難達(dá)到清楚地解釋全部情況.”因此,教師應(yīng)有意識(shí)地進(jìn)行“溯源”教學(xué),加強(qiáng)學(xué)生對(duì)物理知識(shí)認(rèn)知的邏輯性和完整性,以期在過(guò)程中培養(yǎng)其科學(xué)思維能力.

參考文獻(xiàn)：

1 向義和.物理學(xué)基本概念和基本定律溯源[M].北京:高等教育出版社,1994:106-107.

2 William Sturgeona famous son of Whittington[EB/OL].http://whittingtonvillage.org.uk/html_pages/william_sturgeon/william_sturgeon.html

3 Henry M.Noad.A Manual of Electricity[M].London:Lockwood&Co,1859:643.

4 Fleeming Jenkin.Electricity and Magnetism[M].London:Longmans,GreenandCo,1874:62.

5 Dionysius Lardner, edited by Geotge Garey Foster,Handbook of Natural Philosophy:Electricity,Magnetismand Acoustics[M].London:Lockwood&Co,1874:142.

6 Benjamin Silliman.First Principles of Physics,or Natural Philosophy,or Natural Philosophy[M].Philadelphia:H.C.Peck&Theo.Bliss,1858:648.

7 Elias Loomis.Elements of Natural Philosophy[M].NewYork:Harperand Brothers,1858:327.

8 George A,Hoadley.A Brief Coursein General Physics[M].NewYork:American Book Company,1900:311.

9 Right-handrule-Wikipedia[EB/OL].https://en.wikipedia.org/wiki/Right-hand_rule

10 王士平.引入物理學(xué)史,增強(qiáng)物理教學(xué)的歷史感[J].物理教師,1998(10):5-6.

11 張信軍.注重“溯源”教學(xué)培養(yǎng)創(chuàng)新思維[J].物理通報(bào),2001(10):24-25.

12 王詩(shī)鋒.關(guān)于中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的現(xiàn)狀調(diào)查及幾點(diǎn)思考[J].物理教師,2013(01):48-50.

13 魯世明.挖掘物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)價(jià)值促進(jìn)學(xué)生積極主動(dòng)發(fā)展[J].物理教師,2016(05):27-30.