劉素帆,康 樂(lè)

(1.許昌學(xué)院 電氣(機(jī)電)工程學(xué)院，河南 許昌 461000;2.許昌學(xué)院 公共實(shí)驗(yàn)中心,河南 許昌461000)

近年來(lái)筆者對(duì)物理教材中電磁學(xué)部分多有研究.統(tǒng)一左手和右手定則,方便學(xué)生記憶和使用，有必要深入討論，以期盡早地修訂教材，推廣“新左手定則”，加速中學(xué)物理電磁學(xué)部分的教學(xué)創(chuàng)新與改革.

1 傳統(tǒng)教材中的“老方法”與“新左手定則”的比較

1.1 傳統(tǒng)教材中的“老方法”

人民教育出版社出版的物理教材中電磁學(xué)部分關(guān)于通電螺線管的N極判斷方法、電流的磁場(chǎng)方向判斷方法、感應(yīng)電流方向的判斷方法、感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)方向的判斷方法、電流受磁場(chǎng)力方向的判斷方法以及自由電荷在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)所受磁場(chǎng)力方向的判斷方法等方法表述如下.

1.1.1 通電螺線管N極的判斷

高等學(xué)校21世紀(jì)規(guī)劃教材《大學(xué)物理》上冊(cè)中第八章電流與磁場(chǎng)，第二節(jié)電流的磁場(chǎng)，表述了判斷通電螺線管N極的方法——安培定則(二)：用右手握住螺線管，讓彎曲的四指指向螺線管中電流的方向，則拇指所指的那端就是螺線管的N極，如圖1所示[1].

1.1.2 電流磁場(chǎng)方向的判斷

高等學(xué)校21世紀(jì)規(guī)劃教材《大學(xué)物理》上冊(cè)，第八章電流與磁場(chǎng)中的第二個(gè)問(wèn)題“電流的磁場(chǎng)”，表述了直線電流磁場(chǎng)方向的判斷方法——安培定則(一)：右手握住導(dǎo)線，讓伸直的拇指的方向與電流的方向一致，那么彎曲的四指所指的方向就是磁感線的環(huán)繞方向(如圖2)[1].表述了環(huán)形電流磁場(chǎng)方向的判斷方法——安培定則(二)(如圖3)：右手握住螺線管，讓彎曲的四指所指的方向跟電流的方向一致，拇指所指的方向就是螺線管內(nèi)部的磁感線的方向.

1.1.3 電流在磁場(chǎng)中受力以及運(yùn)動(dòng)電荷在磁場(chǎng)中受力方向的判斷

由人民教育出版社出版2007年3月第2版，2015年7月河南第一次印刷的普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書(shū)《物理》(選修1-1)第二章磁場(chǎng)，第三個(gè)問(wèn)題“磁場(chǎng)對(duì)通電導(dǎo)線的作用”中，表述了通電直導(dǎo)體在磁場(chǎng)中所受磁場(chǎng)力(安培力)方向的判斷方法——左手定則：伸開(kāi)左手，使拇指跟其余四指垂直，并且都跟手掌在同一個(gè)平面內(nèi)，讓磁感線穿入手掌，并使四指指向電流的方向，那么，拇指所指的方向就是通電導(dǎo)線所受安培力的方向(如圖4).在本章第四個(gè)問(wèn)題“磁場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷的作用”中表述了正電荷在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)(負(fù)電荷的運(yùn)動(dòng)可以看成正電荷的逆向運(yùn)動(dòng))受到磁場(chǎng)的作用力(洛倫茲力)如圖5所示，這個(gè)力的方向判斷用的是左手定則，同通電直導(dǎo)體在磁場(chǎng)中所受安培力的方向判斷方法類同[2].

1.1.4 感應(yīng)電流方向的判斷

由人民教育出版社出版的2010年4月第3版，2016年7月河南第一次印刷的普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書(shū)《物理》(選修3-2)，第四章電磁感應(yīng),第3節(jié)“楞次定律”中表述了閉合線圈中磁通量發(fā)生變化時(shí)，線圈中有感應(yīng)電流產(chǎn)生.判斷感應(yīng)電流方向的方法——楞次定律(右手螺旋定則)：感應(yīng)電流具有這樣的方向，即感應(yīng)電流的磁場(chǎng)總要阻礙引起感應(yīng)電流的磁通量的變化.還表述了閉合回路中的一部分導(dǎo)體在磁場(chǎng)中切割磁感線時(shí)產(chǎn)生感應(yīng)電流.感應(yīng)電流方向的判斷方法——右手定則：伸開(kāi)右手，使拇指與其余四個(gè)手指垂直，并且都與手掌在同一個(gè)平面內(nèi)，讓磁感線從掌心進(jìn)入，并使拇指指向?qū)Ь€運(yùn)動(dòng)的方向，這時(shí)四指所指的方向就是感應(yīng)電流的方向(如圖6)[3].

1.1.5 感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)方向的判斷

由人民教育出版社出版的2010年4月第3版，2016年7月河南第一次印刷的普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書(shū)《物理》(選修3-2)，第四章電磁感應(yīng),第5節(jié)“電磁感應(yīng)現(xiàn)象的兩類情況”中，表述了閉合回路的磁通變化時(shí)有感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生，方向的判斷方法——楞次定律(右手螺旋定則)(如圖7).還表述了一段導(dǎo)線在做切割磁感線運(yùn)動(dòng)時(shí)，產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，該感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)被稱為動(dòng)應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，方向的判斷方法與判斷洛倫茲力方向的方法相同——左手定則(如圖5)[3].

以上判斷方法稱之為“傳統(tǒng)判斷方法”(以下簡(jiǎn)稱“老方法”)，這些判斷方法手勢(shì)繁多復(fù)雜，累贅瑣碎，容易混淆錯(cuò)亂，記憶難度大，學(xué)生學(xué)習(xí)效率低下.它在1980年的中學(xué)物理教材中就已經(jīng)出現(xiàn)，直到現(xiàn)行的物理教材都沒(méi)有改變過(guò).截至目前，還沒(méi)有人重視關(guān)注這一問(wèn)題.筆者對(duì)“老方法”的便捷使用提出了質(zhì)疑.

1.2 “新左手定則”對(duì)比應(yīng)用

“新左手定則”(以下簡(jiǎn)稱“新方法”)筆者已經(jīng)在有關(guān)文章給出了解釋內(nèi)容，為了在本文中應(yīng)用方便，在此重復(fù)“新左手定則”——即把左手伸開(kāi)，使大拇指跟其余四個(gè)手指垂直，并和手掌在同一平面內(nèi)(在判斷直導(dǎo)體切割磁感線時(shí)所產(chǎn)生的感應(yīng)電流方向、通電直導(dǎo)體以及運(yùn)動(dòng)電荷在磁場(chǎng)中所受磁場(chǎng)力的方向時(shí)，把左手放入磁場(chǎng)中，讓磁感線垂直穿入手掌)，手掌貼導(dǎo)體，使伸開(kāi)的四指指向 “原因”的方向，則大拇指所指的方向就是 “結(jié)果”的方向(因四個(gè)手指指向“原因”，一個(gè)拇指指向“結(jié)果”，所以記?。骸霸蚨?，結(jié)果少” ， “萬(wàn)眾一心” )[4].稱為新左手定則手勢(shì).

1.2.1 對(duì)“老方法”的分析

使用教材上傳統(tǒng)方法來(lái)判斷不同形狀電流周?chē)拇艌?chǎng)、不同情況下感應(yīng)電流或者感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向、通電直導(dǎo)體和運(yùn)動(dòng)電荷在磁場(chǎng)中受力方向等，這些判斷方法，前面已經(jīng)一一作了介紹.分析這些方法 ，各種方向判斷手勢(shì)有左手也有右手，有伸也有握，四指和拇指指向有表示電流的，也有表示運(yùn)動(dòng)的，也有表示磁場(chǎng)方向的.手勢(shì)繁多，復(fù)雜易混淆，直接導(dǎo)致學(xué)生的學(xué)習(xí)效率低下，影響了教學(xué)效果.

1.2.2 新方法的應(yīng)用

新方法的應(yīng)用解析[5,6]，筆者已有文章發(fā)表 ，在此不作詳述，只做簡(jiǎn)單總結(jié).

(1)通電直導(dǎo)體、環(huán)形電流、通電螺線管周?chē)艌?chǎng)的方向判斷.

如圖1、2、3，該問(wèn)題可以理解為“電生磁”，電流是原因，磁場(chǎng)是結(jié)果. 擺好新左手定則手勢(shì)，讓四指所指方向與手掌所貼處導(dǎo)體內(nèi)電流方向一致，即指向原因方向，則拇指所指方向就是左手所在處的磁場(chǎng)方向，即結(jié)果方向.然后根據(jù)電流磁場(chǎng)的閉合性，來(lái)判斷整個(gè)磁場(chǎng)的方向.

(2)通電直導(dǎo)體或者運(yùn)動(dòng)電荷(即正電荷.負(fù)電荷可以看成是正電荷的逆向運(yùn)動(dòng))在磁場(chǎng)中受力的方向判斷.如圖4、5. 這個(gè)問(wèn)題的判斷手勢(shì)，新老手勢(shì)恰好相同，結(jié)果也完全一樣.

(3)螺線管中的磁通變化時(shí)，螺線管中感應(yīng)電流或者感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)方向的判斷.如圖7.

分析這個(gè)問(wèn)題，線圈中的磁通發(fā)生了變化，導(dǎo)致線圈中有感應(yīng)電流產(chǎn)生，所以，磁通變化是原因，感應(yīng)電流是結(jié)果. 擺好新左手定則手勢(shì)，手掌與線圈軸線平行，讓四指指向與磁通動(dòng)態(tài)變化方向一致，即原因方向，具體地說(shuō)，就是如果磁通增加，四指指向原磁場(chǎng)的反方向，如果磁通減少，四指指向原磁場(chǎng)的同方向，則拇指所指方向，就是手掌所貼處線圈中感應(yīng)電流的方向，即結(jié)果方向.

(4)直導(dǎo)體切割磁感線產(chǎn)生感應(yīng)電流或者感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向判斷.如圖8所示.

閉合電路的一部分導(dǎo)體在磁場(chǎng)中做切割磁感線運(yùn)動(dòng)時(shí)，閉合電路中就有感應(yīng)電流產(chǎn)生，該感應(yīng)電流的方向判斷，擺好新左手定則手勢(shì)，讓四指指向?qū)w運(yùn)動(dòng)方向，即原因方向，則拇指所指方向，就是左手所在處導(dǎo)體內(nèi)感應(yīng)電流或者感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向，即結(jié)果方向，由N指向M.

圖1 判斷N極圖2 判斷磁場(chǎng)方向圖3 判斷磁場(chǎng)方向圖4 判斷受力方向

圖5 判斷受力方向圖6 判斷感應(yīng)電流方向圖7 判斷感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)方向圖8 判斷感應(yīng)電流方向

綜合以上情況，對(duì)新、老方法手勢(shì)的比較分析可知，新方法判斷只需左手，而且手勢(shì)不變，方便記憶，不僅為學(xué)生解題提高了速度，也提升了準(zhǔn)確率，使用起來(lái)方便快捷.由此可知，中學(xué)物理教材電磁學(xué)部分創(chuàng)新教學(xué)改革的必要性.

2 對(duì)“新左手定則”的優(yōu)勢(shì)闡釋

2.1 只需明確“原因”和“結(jié)果”兩個(gè)因素

“新左手定則”中提出的“原因”和“結(jié)果”，是根據(jù)題意來(lái)分析所得.前面根據(jù)具體問(wèn)題已經(jīng)分析過(guò).

2.2 使用步驟簡(jiǎn)單

通過(guò)以上分析可知，在應(yīng)用“新左手定則”時(shí)，只需注意以下幾個(gè)步驟.

第一，分析題意，找出“原因”和“結(jié)果”；

第二，擺好新左手定則手勢(shì)；

第三，明確答案.

四指指向“原因”，拇指則指向“結(jié)果”.( 可用“萬(wàn)眾一心”借比，原因多，結(jié)果少).

如果是判斷磁場(chǎng)，可根據(jù)磁場(chǎng)的性質(zhì)——磁感線的閉合性來(lái)明確答案.

2.3 “新左手定則”的特點(diǎn)明確

通過(guò)以上分析，不難發(fā)現(xiàn)“新左手定則”有如下特點(diǎn)：手勢(shì)單一，記憶簡(jiǎn)便，使用快捷，準(zhǔn)確率高.

在認(rèn)真分析題意，明確原因和結(jié)果的基礎(chǔ)上，掌握了“新左手定則”的使用步驟，做題時(shí)就省去了原來(lái)左手右手的選擇、手勢(shì)繁雜、容易混淆、出錯(cuò)率高的麻煩.只用左手判斷，也不必把右手中握的筆放下，考場(chǎng)上分秒必爭(zhēng)，這樣就為考試節(jié)省了時(shí)間，而且大大提高了做題速度和準(zhǔn)確率，同時(shí)也提高了教學(xué)效果.從理論上講，“新左手定則”的構(gòu)建，為中學(xué)物理教材電磁學(xué)部分的教學(xué)改革提出參考意見(jiàn).

2.4 實(shí)例展示“新左手定則”的優(yōu)勢(shì)

(1)通電直導(dǎo)體和通電線圈周?chē)拇艌?chǎng)判斷，如下圖9所示.

判斷過(guò)程：判斷圖甲通電直導(dǎo)體周?chē)拇艌?chǎng)，因?yàn)橥穗?原因)，所以才有磁場(chǎng)(結(jié)果).擺好新左手定則手勢(shì)，四指指向原因電流方向，則拇指所指方向向右，就是直導(dǎo)體在手掌處所產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向.根據(jù)磁感線的閉合性，可知如圖所示的磁場(chǎng).這個(gè)判斷結(jié)果，同圖乙教材的老判斷方法的判斷結(jié)果，但手勢(shì)和方法更簡(jiǎn)單.

判斷圖丙通電螺線管周?chē)拇艌?chǎng)，左手手勢(shì)不變，手掌貼線圈，四指指向上同電流(原因)方向，則拇指所指方向即左手所在處的磁場(chǎng)(結(jié)果)方向向右，根據(jù)磁感線的閉合性可知，線圈周?chē)拇艌?chǎng)如圖所示.判斷結(jié)果與教材上的右手定則判斷結(jié)果一樣.

從上面判斷不同形狀電流的磁場(chǎng)方向這個(gè)問(wèn)題，就已經(jīng)看出新左手定則的簡(jiǎn)便性.

(2)直導(dǎo)體和螺線管中感生電流的方向的判斷，如圖8和圖10所示.

圖9 磁場(chǎng)判斷圖10 感應(yīng)電流的方向的判斷

判斷過(guò)程：對(duì)于圖8，因?yàn)殚]合回路中一部分導(dǎo)體切割磁感線，所以才有電流產(chǎn)生.擺好新左手定則手勢(shì)，四指指向?qū)w的切割(原因)方向即向右，則大拇指的指向(結(jié)果)是向里，即感生電流的方向.判斷結(jié)果和教材判斷方法即右手定則判斷結(jié)果一樣.

對(duì)于圖10中的甲乙丙丁，因?yàn)榇盆F接近或者遠(yuǎn)離線圈，使線圈中的磁通也就是磁感線條數(shù)發(fā)生變化(原因)，導(dǎo)致了線圈中有電流產(chǎn)生(結(jié)果).擺好新左手定則手勢(shì)，對(duì)于圖甲，線圈中的客人來(lái)了，即是增加的，走向是向下的，那四指就去迎接，向上指，則拇指所指方向是向右，如圖所示方向，就是感應(yīng)電流方向；對(duì)于圖乙，線圈中的客人走了，即是減少，走向是向下的，那四指就去送送，向下指，則拇指所指方向是向左，如圖所示方向，就是感應(yīng)電流方向；對(duì)于圖丙，線圈中客人來(lái)了，即是增加，走向是向上，那四指就去迎接，向下指，則拇指所指方向是向左，如圖所示方向，就是感應(yīng)電流方向；對(duì)于圖丁，線圈中客人走了，即是減少，走向是向上，那四指去送送，向上指，則拇指所指方向是向右，如圖所示，就是感應(yīng)電流方向.

從判斷不同情況下感應(yīng)電流(包括感應(yīng)電動(dòng)勢(shì))方向這個(gè)問(wèn)題看，新左手定則手勢(shì)取代了不同的右手手勢(shì)，判斷思路也簡(jiǎn)單，突出了新左手定則的優(yōu)越性.

(3)通電直導(dǎo)體和運(yùn)動(dòng)電荷在磁場(chǎng)中的受力方向的判斷，如圖11所示.

圖11 受力方向的判斷

判斷過(guò)程：對(duì)于圖11中的甲，因?yàn)閷?dǎo)體 中有電流，所以才會(huì)受到磁場(chǎng)力.擺好新左手定則手勢(shì)，手心向下，貼導(dǎo)體，四指垂直于紙面向外指和電流方向(原因)相同，則拇指指向向左，就是通電直導(dǎo)體在磁場(chǎng)中的受力方向(結(jié)果).

對(duì)于圖11中的乙，因?yàn)檎姾稍诖艌?chǎng)中運(yùn)動(dòng)(原因)，所以受到磁場(chǎng)力(結(jié)果).擺好新左手定則手勢(shì)，手心向外，讓磁感線垂直穿過(guò)手心，四指向上指，則拇指所指方向向左，如圖所示，就是正電荷在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)所受的磁場(chǎng)力的方向；如果是負(fù)電荷，因其所受磁場(chǎng)力方向相反，所以可看成正電荷的逆向運(yùn)動(dòng)來(lái)判斷.

判斷通電直導(dǎo)體和運(yùn)動(dòng)電荷在磁場(chǎng)中受力方法可知，新左手定則的手勢(shì)和教材上的判斷方法是一樣的.

從(1)(2)(3)這三種問(wèn)題的判斷可以看出，新左手定則的優(yōu)勢(shì)所在，根據(jù)因果關(guān)系，利用一個(gè)簡(jiǎn)單的手勢(shì)，就可以快速準(zhǔn)確地判斷出結(jié)果.新右手定則對(duì)于“自感”和“互感”同樣適用.

3 結(jié)語(yǔ)

學(xué)生通過(guò)電磁感應(yīng)現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、尋找原因、快速判斷，能有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，并能培養(yǎng)學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力，還能有效推動(dòng)我國(guó)教育教學(xué)的改革創(chuàng)新.因此希望有關(guān)部門(mén)重視“新左手定則”這一教學(xué)科研成果，并建議國(guó)家對(duì)現(xiàn)行的中學(xué)物理教材進(jìn)行修改，以適應(yīng)科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步對(duì)基礎(chǔ)教育提出的新要求.