一种让左手定则“退休”的方法

摘 要：判断磁体间的相互作用力方向需要借助左手定则。而左手定则要求学生具有较强的抽象思维与空间思维能力，不少学生存在困难，而只通过观测磁场方向就能分析磁体相互作用的效果值得尝试。研究表明：两个磁体之间的磁感应线相反则二者吸引，相同则排斥；且任何磁体发生旋转的目的都是为了与相互作用的物体吸引。该方法可直接看出磁体间相互作用的效果，无需左手定则。这既减轻了学生的学习负担，又激发了学习兴趣，提高学习效率。

关键词：物理教学；磁场；观察；效果

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2018）4-0056-3

高中磁场教学中，出现了很多作用力方向的判断——安培力、洛伦兹力及小磁针两极的受力方向。其中，小磁针两极受力方向的判断比较容易，而另两种抽象作用力方向的判断让学生非常苦恼。究其原因，是小磁针的N极受力方向与该处磁场方向相同，S极则相反。无论怎样变化都可以通过观察磁感应线直接指出作用力方向。而安培力和洛伦兹力则需要用左手定则分析，立体化思维要求很高，学生无法直接观察[1]。通过比较可以发现：如果力的方向可以通过观察而直接看出来，就会简单，且不易犯错。这个设想一旦实现，就意味着左手定则不再是判断磁体作用力方向的唯一方法。这方面的研究并非首次[2-4]。定则是公认的一种用于表达事物间内在联系的规定或法则，其目的是帮助理解和记忆。只要是符合科学规律，能够让学生易于掌握的方法就可以大量应用，这也给了目前很多国内外学者研究这类问题希望与动力。

根据电磁学规律，磁体（包括电流）间有相互作用力是因为磁体的磁场，观察两个磁体的磁场特点，就能看出相互作用力的方向。磁场是磁体周围存在的一种物质，看不见，摸不到。科学家引入了磁感应线解决了这一难点。所以，分析磁体的磁感应线是看出安培力与洛伦兹力方向的关键。下面我们就尝试根据磁体的磁感应线看出力的作用效果。

首先，通过条形磁体观察同名磁极相互排斥，异名磁极相互吸引，如图1所示。两磁体的磁感应线应该是决定作用力的主要因素。异名磁极之间的磁感应线方向相反，相互吸引；同名磁极相互排斥，它们之间的磁感应线方向相同。这与相应的物理规律对应。根据这一理论就不难解释同向电流与异向电流的相互作用，如图2所示。同向电流的磁感应线方向相反，是吸引；异向电流的磁感应线方向相同，是排斥。则若磁体可以自由转动，当磁体发生作用，导致磁体发生旋转，旋转后两者一定相互吸引，有很多情况可以证明这一结论。

图3显示的是一个条形磁铁放在一个条形磁体的中间处。根据之前的知识，它们的作用力几乎为0。的确，这两者之间的磁感应线在上方相同，而下方相反，所以作用力抵消。这与之前的结论一致。如果左边磁体向上稍微移动一下，上下两个作用力不会抵消，根据力矩的知识可知它们的相互作用使二者发生旋转，最终吸引到一起。这与一些实验现象一致[5]。所以，我们更容易发现任何磁体作用导致磁体发生旋转的结果就是吸引。通过三个事例和大量实验现象[5]，我们有以下结论：

（1）两个磁体的相互作用力可以由它们之间的磁感应线判断。

（2）磁感应线方向相反则吸引，磁感应线方向相同则排斥。

（3）任何磁体发生旋转的结果都是相互吸引。

下面我们举几个例题加以验证。首先，还是从一道经典的问题开始。

（启东中学练习题）一个磁铁置于水平桌面上，其正上方固定一根直导线，如图4所示。当直导线中通以如图4方向的电流时，磁铁保持静止。下列结论正确的是（ ）

A.磁铁对桌面的压力减小

B.磁铁对桌面的压力增大

C.磁铁对桌面施加向右的摩擦力

D.磁铁所受的合外力减小

由前面的讨论，首先要画两个磁体周围的磁感应线，如图5所示。易发现两者之间的磁感应线方向是相反的，所以两者相互吸引，磁铁对桌面压力减小。又由于线圈正好在磁体上方的正中央，下方磁体不存在向左或向右的运动趋势，自然不受摩擦力，故选A选项。

把本题变化一下，导线在上方偏左位置或改变电流方向放在偏右位置，结果又如何呢？如图6所示，这时导线与磁体之间的磁感应线方向总体反向，依然吸引，磁铁对桌面压力还是减小。但这次对两个磁极的吸引力不等大，导线靠近N极，对N极的吸引更强，所以磁体应有向左的运动趋势，桌面对磁铁有向右的摩擦力。再看图7，可以发现导线与磁体间的磁感应线总体相同，两者排斥，磁铁对桌面压力增大。又由于导线靠近S极，对S极的排斥力更明显，所以磁体有向左的运动趋势，受到桌面的摩擦力向右。

经过上述分析，通过观察磁感应线判断相互作用力的方向，不仅直观，而且步骤简洁。所有的类似问题都可以借助此方法，同时具备以下优点：

（1）在电磁学中，學生需要不停地使用左手和右手进行有关判断，容易出现错误。本方法只要求学生使用右手螺旋定则灵活画出磁体和通电导线的磁感应线即可。无需要再用左手定则判断力的方向。

（2）该方法只要学生观察磁感应线，无需进行复杂的抽象思维和空间思维。只要学生掌握三个结论，强化练习，相信所有学生都能快速解决这类问题。

（3）这三个结论不是凭空产生的，而是有理论与实验基础。尤其是第三个结论可以通过大量实验得到。这也为物理课堂提供了很好的实验素材，迎合物理核心素养的要求，有助于学生真正认识到通电导线和磁铁相互作用本质上的统一性。

物理是一门抽象的学科，很多知识学生难以理解。墨守成规虽然可以实现科学思想的传承，但新的方法如果能更快、更简单、更不容易错，就可以尝试将其应用到物理教学中。实现物理可视化教学是一个漫长、艰辛的过程，但相信只要教师认真研究，积极探索，一定可以让学生真正体验科学的魅力，物理的真谛。

参考文献：

[1]王建.《安培力 磁感应强度》教学设计[J].物理教学探讨，2010，28（12）：72.

[2]李秀鹏.探究安培力大小的新实验[J].物理教学探讨，2008，26（8）：58.

[3]张萱. “重过程”“一只手”“四句话” 彻底摆脱电磁学中左右手的困惑[J].中学物理，2014（2）：35.

[4]许多青.论洛伦兹力与安培力[J].中学物理，2010（19）：62.

[5]张萱.用另一角度巧解安培力问题[J].物理教学探讨， 2012，28（11）：36.