李中玉

(佛山市南海中學(xué) 廣東 佛山 528211)

在高中物理電磁學(xué)中，判斷通電導(dǎo)線和運動電荷在磁場中受力方向的定則——左手定則有著舉足輕重的作用.所有高中物理教材在講述這一定則時，都是做完磁場方向與電流方向相互垂直的有限幾個實驗，就陳述定則內(nèi)容，跳過了歸納總結(jié)得出規(guī)律的推導(dǎo)過程，使得左手定則的出現(xiàn)非常突然，讓人對該定則的普適性存在疑問.筆者認為這種教學(xué)思路未很好地體現(xiàn)《高中物理新課程標準》中 “讓學(xué)生體驗探究過程，了解科學(xué)研究方法”的思想.這種教學(xué)思路存在教條化和權(quán)威論的痕跡.本文力圖還原左手定則的探索過程，說明左手定則之所以成為一個規(guī)則的原因，為物理教學(xué)提供參考.

1 電流方向與磁場方向相互垂直

此處力圖得出結(jié)論：電流方向和磁場方向相互垂直時，安培力方向、磁場方向、電流方向的空間關(guān)系是固定的.

【實驗1】如圖1(a)所示，相對于觀察者，磁場方向豎直向下、電流方向水平向右，根據(jù)實驗我們?nèi)菀椎玫浇Y(jié)論：通電導(dǎo)線受安培力方向垂直紙面向里，其磁場、電流、安培力三者方向空間位置如圖1(b).

圖1

【實驗2】在實驗1的基礎(chǔ)上不改變磁場方向，將電流方向反向，其圖像如圖2(a)，根據(jù)實驗容易得到結(jié)論：通電導(dǎo)線受安培力方向垂直紙面向外，其磁場、電流、安培力三者方向空間位置如圖2(b).通過圖1(b)和圖2(b)對比，容易看出這一結(jié)果與實驗1中觀察者以磁場方向為軸旋轉(zhuǎn)180°結(jié)果一致，或者說與實驗1中將裝置以磁場方向為軸旋轉(zhuǎn)180°結(jié)果一致.

圖2

【實驗3】在實驗2的基礎(chǔ)上不改變電流方向，將磁場方向反向，其圖像如圖3(a)，根據(jù)實驗容易得到通電導(dǎo)線受安培力方向垂直紙面向里，其磁場、電流、安培力三者方向空間位置如圖3(b).通過圖2(b)和圖3(b)對比，可知這一結(jié)果與實驗2中觀察者以電流方向為軸旋轉(zhuǎn)180°結(jié)果一致,或者說與實驗2中將裝置以電流方向為軸旋轉(zhuǎn)180°結(jié)果一致.

圖3

從上面三次實驗的結(jié)果，我們可以做出以下猜想.

猜想1：在不改變磁場方向的情況下，將電流方向以磁場方向為軸旋轉(zhuǎn)多大角度，則安培力也以磁場方向為軸旋轉(zhuǎn)多大角度.

猜想2：在不改變電流方向的情況下，將磁場方向以電流方向為軸旋轉(zhuǎn)多大角度，則安培力也以電流方向為軸轉(zhuǎn)過多大角度.

證明猜想1.

在實驗1的基礎(chǔ)上，觀察者以磁場方向為軸轉(zhuǎn)動任意角度θ；即不改變裝置的空間位置，只是觀察者圍繞裝置轉(zhuǎn)過了一定角度θ，這樣磁場方向和電流方向的空間位置并沒有改變，對應(yīng)安培力方向的空間位置也不會改變.

這一實驗相當于觀察者空間位置不變，將實驗裝置以磁場方向為軸，反向轉(zhuǎn)過角度θ進行的實驗，即將電流方向以磁場方向為軸反向轉(zhuǎn)過角度θ進行的實驗.不同在于，現(xiàn)在的電流方向與原來的空間位置存在夾角θ，現(xiàn)在的安培力方向與實驗1的安培力方向夾角θ，且旋轉(zhuǎn)方向一致.

就此，我們可以得出猜想1是正確的.

對于猜想2，可用相同方法證明.

有了上述兩個結(jié)論，我們就能導(dǎo)出下面第3個結(jié)論.

結(jié)論3：只要電流方向與磁場方向垂直，通過空間旋轉(zhuǎn)總可以使電流方向、磁場方向、安培力方向與實驗1相同.

只要電流方向與磁場方向垂直，不管它們在怎樣的空間方向上，總能通過旋轉(zhuǎn)變換為實驗1中的空間對應(yīng)關(guān)系.即只要電流方向和磁場方向垂直時，電流方向、磁場方向、安培力方向三者總存在固定的空間位置關(guān)系.

在教學(xué)中為讓學(xué)生直觀地明白上述空間旋轉(zhuǎn)變換關(guān)系，可以制作一個與圖1(b)相同的實物教具，在教具上標明各物理量的對應(yīng)方向，利用該實物教具的旋轉(zhuǎn)能生動形象的說明問題.

下面討論電流方向與磁場方向不垂直時，安培力方向、磁場方向、電流方向三者的空間關(guān)系.

2 電流方向和磁場方向不垂直

【實驗4】如圖4，電流方向與實驗1中相同，磁場方向斜向左下與實驗1中磁場方向夾角為θ.根據(jù)

圖4

磁場的矢量性，將圖4中的裝置分解為圖5(a)和圖5(b)兩個裝置，其中圖5(a)中磁場B1方向與電流方向垂直，圖6(b)中磁場B2方向與電流方向平行，且B1和B2矢量和為B，電流方向和大小均與圖4中相同，即相當于在同一空間存在兩個磁場B1和B2.通過實驗可得圖4和圖5(a)中通電導(dǎo)線受安培力方向相同，即圖4中安培力方向的判斷可轉(zhuǎn)化為圖5(a)的判斷.

圖5

由此可得以下兩個結(jié)論.

結(jié)論4：電流方向與磁場方向存在夾角時，安培力方向與將磁場投影到電流垂直方向時相同.

由結(jié)論3和結(jié)論4可得以下結(jié)論5.

結(jié)論5：不管電流方向和磁場方向如何，均可以通過空間變換轉(zhuǎn)化為實驗1的情況.

至此，可以看出只要得出實驗1中電流方向、磁場方向、安培力方向三者的空間關(guān)系，就知道了所有情況下三者的空間關(guān)系，即通過空間變換(旋轉(zhuǎn)和投影)可將任何情況下電流方向、磁場方向、安培力方向化為一致.只要知道了實驗1中判斷安培力的方法，就知道了所有情況下判斷安培力的方法.就此也證明了在任何情況下翻轉(zhuǎn)左手，讓其適應(yīng)磁場方向和電流方向來判斷安培力方向的正確性.

通過以上實驗和推導(dǎo)能讓學(xué)生明白，科學(xué)并不神秘，它也不是書本上的教條，它是實實在在通過實驗觀察思考總結(jié)的結(jié)果；科學(xué)家不是創(chuàng)立教條的人，而是通過現(xiàn)象揭示規(guī)律并用恰當?shù)恼Z言給予描述的人，偉人之所以偉大正在于此.