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        一種讓左手定則“退休”的方法

        2018-07-04 11:33:22張萱
        物理教學(xué)探討 2018年4期
        關(guān)鍵詞:退休觀察物理教學(xué)

        摘 要:判斷磁體間的相互作用力方向需要借助左手定則。而左手定則要求學(xué)生具有較強(qiáng)的抽象思維與空間思維能力,不少學(xué)生存在困難,而只通過觀測磁場方向就能分析磁體相互作用的效果值得嘗試。研究表明:兩個磁體之間的磁感應(yīng)線相反則二者吸引,相同則排斥;且任何磁體發(fā)生旋轉(zhuǎn)的目的都是為了與相互作用的物體吸引。該方法可直接看出磁體間相互作用的效果,無需左手定則。這既減輕了學(xué)生的學(xué)習(xí)負(fù)擔(dān),又激發(fā)了學(xué)習(xí)興趣,提高學(xué)習(xí)效率。

        關(guān)鍵詞:物理教學(xué);磁場;觀察;效果

        中圖分類號:G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1003-6148(2018)4-0056-3

        高中磁場教學(xué)中,出現(xiàn)了很多作用力方向的判斷——安培力、洛倫茲力及小磁針兩極的受力方向。其中,小磁針兩極受力方向的判斷比較容易,而另兩種抽象作用力方向的判斷讓學(xué)生非??鄲?。究其原因,是小磁針的N極受力方向與該處磁場方向相同,S極則相反。無論怎樣變化都可以通過觀察磁感應(yīng)線直接指出作用力方向。而安培力和洛倫茲力則需要用左手定則分析,立體化思維要求很高,學(xué)生無法直接觀察[1]。通過比較可以發(fā)現(xiàn):如果力的方向可以通過觀察而直接看出來,就會簡單,且不易犯錯。這個設(shè)想一旦實(shí)現(xiàn),就意味著左手定則不再是判斷磁體作用力方向的唯一方法。這方面的研究并非首次[2-4]。定則是公認(rèn)的一種用于表達(dá)事物間內(nèi)在聯(lián)系的規(guī)定或法則,其目的是幫助理解和記憶。只要是符合科學(xué)規(guī)律,能夠讓學(xué)生易于掌握的方法就可以大量應(yīng)用,這也給了目前很多國內(nèi)外學(xué)者研究這類問題希望與動力。

        根據(jù)電磁學(xué)規(guī)律,磁體(包括電流)間有相互作用力是因?yàn)榇朋w的磁場,觀察兩個磁體的磁場特點(diǎn),就能看出相互作用力的方向。磁場是磁體周圍存在的一種物質(zhì),看不見,摸不到??茖W(xué)家引入了磁感應(yīng)線解決了這一難點(diǎn)。所以,分析磁體的磁感應(yīng)線是看出安培力與洛倫茲力方向的關(guān)鍵。下面我們就嘗試根據(jù)磁體的磁感應(yīng)線看出力的作用效果。

        首先,通過條形磁體觀察同名磁極相互排斥,異名磁極相互吸引,如圖1所示。兩磁體的磁感應(yīng)線應(yīng)該是決定作用力的主要因素。異名磁極之間的磁感應(yīng)線方向相反,相互吸引;同名磁極相互排斥,它們之間的磁感應(yīng)線方向相同。這與相應(yīng)的物理規(guī)律對應(yīng)。根據(jù)這一理論就不難解釋同向電流與異向電流的相互作用,如圖2所示。同向電流的磁感應(yīng)線方向相反,是吸引;異向電流的磁感應(yīng)線方向相同,是排斥。則若磁體可以自由轉(zhuǎn)動,當(dāng)磁體發(fā)生作用,導(dǎo)致磁體發(fā)生旋轉(zhuǎn),旋轉(zhuǎn)后兩者一定相互吸引,有很多情況可以證明這一結(jié)論。

        圖3顯示的是一個條形磁鐵放在一個條形磁體的中間處。根據(jù)之前的知識,它們的作用力幾乎為0。的確,這兩者之間的磁感應(yīng)線在上方相同,而下方相反,所以作用力抵消。這與之前的結(jié)論一致。如果左邊磁體向上稍微移動一下,上下兩個作用力不會抵消,根據(jù)力矩的知識可知它們的相互作用使二者發(fā)生旋轉(zhuǎn),最終吸引到一起。這與一些實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象一致[5]。所以,我們更容易發(fā)現(xiàn)任何磁體作用導(dǎo)致磁體發(fā)生旋轉(zhuǎn)的結(jié)果就是吸引。通過三個事例和大量實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象[5],我們有以下結(jié)論:

        (1)兩個磁體的相互作用力可以由它們之間的磁感應(yīng)線判斷。

        (2)磁感應(yīng)線方向相反則吸引,磁感應(yīng)線方向相同則排斥。

        (3)任何磁體發(fā)生旋轉(zhuǎn)的結(jié)果都是相互吸引。

        下面我們舉幾個例題加以驗(yàn)證。首先,還是從一道經(jīng)典的問題開始。

        (啟東中學(xué)練習(xí)題)一個磁鐵置于水平桌面上,其正上方固定一根直導(dǎo)線,如圖4所示。當(dāng)直導(dǎo)線中通以如圖4方向的電流時,磁鐵保持靜止。下列結(jié)論正確的是( )

        A.磁鐵對桌面的壓力減小

        B.磁鐵對桌面的壓力增大

        C.磁鐵對桌面施加向右的摩擦力

        D.磁鐵所受的合外力減小

        由前面的討論,首先要畫兩個磁體周圍的磁感應(yīng)線,如圖5所示。易發(fā)現(xiàn)兩者之間的磁感應(yīng)線方向是相反的,所以兩者相互吸引,磁鐵對桌面壓力減小。又由于線圈正好在磁體上方的正中央,下方磁體不存在向左或向右的運(yùn)動趨勢,自然不受摩擦力,故選A選項(xiàng)。

        把本題變化一下,導(dǎo)線在上方偏左位置或改變電流方向放在偏右位置,結(jié)果又如何呢?如圖6所示,這時導(dǎo)線與磁體之間的磁感應(yīng)線方向總體反向,依然吸引,磁鐵對桌面壓力還是減小。但這次對兩個磁極的吸引力不等大,導(dǎo)線靠近N極,對N極的吸引更強(qiáng),所以磁體應(yīng)有向左的運(yùn)動趨勢,桌面對磁鐵有向右的摩擦力。再看圖7,可以發(fā)現(xiàn)導(dǎo)線與磁體間的磁感應(yīng)線總體相同,兩者排斥,磁鐵對桌面壓力增大。又由于導(dǎo)線靠近S極,對S極的排斥力更明顯,所以磁體有向左的運(yùn)動趨勢,受到桌面的摩擦力向右。

        經(jīng)過上述分析,通過觀察磁感應(yīng)線判斷相互作用力的方向,不僅直觀,而且步驟簡潔。所有的類似問題都可以借助此方法,同時具備以下優(yōu)點(diǎn):

        (1)在電磁學(xué)中,學(xué)生需要不停地使用左手和右手進(jìn)行有關(guān)判斷,容易出現(xiàn)錯誤。本方法只要求學(xué)生使用右手螺旋定則靈活畫出磁體和通電導(dǎo)線的磁感應(yīng)線即可。無需要再用左手定則判斷力的方向。

        (2)該方法只要學(xué)生觀察磁感應(yīng)線,無需進(jìn)行復(fù)雜的抽象思維和空間思維。只要學(xué)生掌握三個結(jié)論,強(qiáng)化練習(xí),相信所有學(xué)生都能快速解決這類問題。

        (3)這三個結(jié)論不是憑空產(chǎn)生的,而是有理論與實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。尤其是第三個結(jié)論可以通過大量實(shí)驗(yàn)得到。這也為物理課堂提供了很好的實(shí)驗(yàn)素材,迎合物理核心素養(yǎng)的要求,有助于學(xué)生真正認(rèn)識到通電導(dǎo)線和磁鐵相互作用本質(zhì)上的統(tǒng)一性。

        物理是一門抽象的學(xué)科,很多知識學(xué)生難以理解。墨守成規(guī)雖然可以實(shí)現(xiàn)科學(xué)思想的傳承,但新的方法如果能更快、更簡單、更不容易錯,就可以嘗試將其應(yīng)用到物理教學(xué)中。實(shí)現(xiàn)物理可視化教學(xué)是一個漫長、艱辛的過程,但相信只要教師認(rèn)真研究,積極探索,一定可以讓學(xué)生真正體驗(yàn)科學(xué)的魅力,物理的真諦。

        參考文獻(xiàn):

        [1]王建.《安培力 磁感應(yīng)強(qiáng)度》教學(xué)設(shè)計[J].物理教學(xué)探討,2010,28(12):72.

        [2]李秀鵬.探究安培力大小的新實(shí)驗(yàn)[J].物理教學(xué)探討,2008,26(8):58.

        [3]張萱. “重過程”“一只手”“四句話” 徹底擺脫電磁學(xué)中左右手的困惑[J].中學(xué)物理,2014(2):35.

        [4]許多青.論洛倫茲力與安培力[J].中學(xué)物理,2010(19):62.

        [5]張萱.用另一角度巧解安培力問題[J].物理教學(xué)探討, 2012,28(11):36.

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