宏观转微观——巧解安培力方向之疑

◆广州市南沙第一中学 霍英粮 陈振朗

在新粤教版的物理选择性必修二教材第一章第一节“安培力的大小和方向”的内容中，对方向的探究只呈现了磁感应强度与电流方向垂直的情况，而在大小的描述中，只给出了“当通电直导线与磁场方向平行时，通电直导线所受安培力的大小为零”的结论，从理论上得出了安培力的一般表达式F=BILsinθ。然而，按书本上的实验装置难以实现对磁场方向与电流方向平行的或有一定夹角的探究。

同学们不满足于理论结果，想通过实验“看到”理论推导的结论。基于此，我们试图设计实验来验证两个现象：1.当通电导线的电流方向与磁场方向平行时，通电导线不受安培力；2.当电流方向与磁场方向有一定夹角（锐角）时，通电导线受安培力，并能直观看到安培力方向。

图/图虫创意

一、初次实验

（一）实验设计

使用空心铜管充当通电导线，用相向的两个强钕磁铁制造小范围的匀强磁场。当空心铜管受到水平方向的力时，可在水平导轨上滚动。除此之外，在该装置下放一台灵敏电子秤，检测铜管竖直方向上受到的力。连接电路，开始实验，如图1。

图1

（二）实验过程

安装好强钕磁铁，使磁场方向与电流方向平行。闭合开关，铜管没有移动，电子秤示数无变化。

改变强钕磁铁的位置，使电流方向与磁场方向在水平面存在一定夹角，理论分析铜管应在竖直方向上受到安培力的作用。然而，当我们闭合开关后，铜管并没有移动，电子秤示数也无变化。

（三）分析问题

我们分析了电路及操作过程，发现了以下问题。

1.在两次实验中，电子秤示数都无变化，可能是在竖直方向未受到安培力。也可能是所受安培力太小，电子秤无法测量到。

2.在两次实验中，铜管都没有移动，说明没有受到水平方向的力，但无法说明竖直方向的安培力是否存在。

3.空心铜管太轻，与导轨接触不良，可能导致电路中没有电流。

4.电流和磁场太弱，导致安培力太小，现象不明显。

基于以上可能性原因，我们经过多次讨论，觉得该实验设计存在缺陷，结论不具备说服力。

运用学过的知识，比如带电粒子在磁场中受洛伦兹力、电流是大量电荷的定向移动等，我们觉得可以从微观角度入手再次开展实验。

二、再次实验

（一）实验设计

电流是通电导线内自由电子定向移动形成的，电子在磁场中受洛伦兹力作用，宏观体现为安培力。因此我们借来了一台洛伦兹力演示器，利用里面的励磁线圈形成匀强磁场，用阴极射线管产生电子，探究电子在匀强磁场中的运动情况，如图2。

图2

（二）实验现象

把阴极射线管放入励磁线圈中央，励磁线圈通电后，我们可以清楚地看到两个现象：1.当磁场方向与电子发射方向平行时，电子沿原方向直线射出，无偏移，如图3；2.当磁场方向与电子发射方向在水平面存在一定夹角时，电子向上或向下偏移，如图4。

图3

图4

（三）实验结论

现象1 说明，磁场方向与电流方向平行时，确实没有受到安培力。现象2 说明，磁场方向与电流方向处于同一水平面并存在一定夹角时，受到安培力的影响，且安培力的方向为竖直向上或竖直向下。

由此我们找到了初次实验过程中，磁感应强度方向与电流方向有一定夹角时，铜管不动的原因：这时铜管受安培力的方向是竖直的。

三、实验感悟

通电铜管在磁场中不动时，不能轻易定下铜管不受安培力作用的结论，也有在其他方向受力的可能。眼见不一定为实，动手实验能够帮助我们更好地透过现象看到事物的真面目。

“山重水复疑无路，柳暗花明又一村。”遇到麻烦或无法看到我们预期的实验现象时，换角度想办法，坚持不放弃，结果总能带给我们惊喜。