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摘要:电磁学知识抽象难学,师生理解片面,且不少学生滋生了畏难情绪。为了使学生掌握好电磁学知识,本文结合笔者的教学经验,简述了电流、磁场、安培力的关系,以供参考。
关键词:电流磁场安培力
在电磁学中,有人认为:“电生磁,磁也能生电,电和磁可以相互演变、交互衍生。”也有人说:“静电和静磁是彼此独立的,只有在电磁感应现象中才能把电和磁紧密地联系在一起。”诚然,在各类物理教育教学文献中很少见到电磁关系的专题论述,以至于在中等物理教学中许多师生理解片面,致使物理图景模糊,感到电磁学知识抽象难学,不少学生滋生了畏难情绪。本文尝试着就“电流、磁场、安培力”的关系,阐述一下笔者的观点。
一、电流的磁效应
在人教版物理教材选修3-1中,介绍了奥斯特的实验研究并非一帆风顺。当时人们见到的力都是沿着物体连线的方向,即都是所谓的“纵向力”。受到这种观念的局限,奥斯特总是把磁针放在导线的延长线上,实验均以失败而告终。1820年4月,在一次演讲中,他偶然地在电流“横向”上发现了磁针的转动,不久,就宣布了电流的磁效应,首次揭示了电和磁的联系。
电荷的定向移动形成电流,也就是说电流只是一种现象,指的是电荷做有序运动时的宏观状态,并非客体。根据物质不灭的哲学思想,电流周围存在的磁场是客体,它不可能是电流产生的,磁场只能是电荷处在电流状态时必然存在的一种物质形态,绝不能类同于“物”与“影”的关系。定向移动的电荷与磁场的共同存在,更像孪生的“龙凤胎”,说明二者联系紧密、互相依存。电现象和磁现象作为客观存在,不是因果,亦非衍生。当然,电流和磁场确实存在紧要的关系,以通电的直导线周围的磁场为例,磁场的强弱不仅与到直线电流的距离成反比,也与电流的大小成正比。这种量与量的关系,不能颠倒客体与属性的位置。正如食物充足的地区便于生物的生存和繁衍,但不能说是食物产生了生物。如果说“电流的磁场”这种表述不够确切,那么,说电流产生了磁场就绝对是错误的。
二、安培力
高中物理教材给出安培力的定义是“通电导体在磁场中受到的力就叫安培力”,它没有说是磁场对电流的作用力是安培力。通常讲电流之间的作用,应该表述为通电导体周围的磁场对另一通电导体的作用力,等离子体形成的电流在磁场中就不受安培力。在研究受安培力作用下的平衡问题和运动问题时,它的研究对象永远指的是通电导体,而不是一般意义上的电流,电流毕竟不是客体。在探究磁场的强弱,定义磁感应强度B时,选定的对象“电流元”,是很短的一段通电导体。所以,当我们说电流之间存在着相互作用时,究其实是通电导体与磁场之间的相互作用。一对平行的通电直导线,当它们的电流方向相同时相互吸引,方向相反时相互排斥,作用力与反作用力大小相等、方向相反,作用在一条直线上。这是一种近似简化的表述方式。根据牛顿第三定律,作用力与反作用力是发生在两个物体之间,电流的意义是电荷定向移动时的状态,不是物质客体,不能描述成施力物体和受力物体。所谓“电流之间的相互作用力”实质就是安培力,即磁场对通电导体的作用力。安培力的施力物体是磁场。我们平常一般不这样说,除了习惯上的原因外,还是对磁场的理解问题。磁场作为一种物质形态,不是通常的实物粒子,看不见,很抽象,中学生总有陌生感。无独有偶,物理上的光压问题,极少有人涉及施力物体和受力物体,只要不影响问题的研究,表达方式也许不需要百分之百的准确。物理上的“模型法”是一种理想化的方法,立足现实又超越现实,但毕竟是一种十分有效的方法。类比的方法是某些方面的类比,或一定程度的类比,学习新知识不能总拿老知识去衡量。实物粒子和磁场既然是两种不同的物质形态,对于某些物理概念就不要处处用一把尺子去衡量。
在教材科学漫步栏目,介绍了自然界中有趣的右旋与左旋,它在深层次反映了自然规律的某些性质。安培力的方向由左手定则判定,这是十分有趣的。安培力的方向垂直于磁感应强度B与通电导体所决定的平面,这个判定法的学习让学生感到了自然的神奇。电场对电荷的作用力是无条件的,只要电荷处在电场中,就一定受电场力的作用。磁场对通电导体的作用力是有条件的,即有方向的选择。当磁场方向与电流方向平行时,通电导体不受安培力;一旦离开平行状态,就有安培力,并且当磁场方向与电流方向垂直时,安培力最大。定义磁感应强度B时采用的比值定义法就是针对这种垂直状态下的磁场力而言。通电导体在磁场中的运动过程,安培力做的功是电能转化为其它形式能的量度,这种能量转化是通过磁场得以实现。电动机的工作原理就是这样,磁场是这种能量转化的媒介物。
综上所述,定向移动的电荷周围存在着磁场,通电导体在磁场中受到安培力作用,三者不是传导和转移的关系。任何力只能发生在两个物体之间,安培力不是电流之间的作用力,只能是磁场对通电导体的作用力,磁场的基本特点就是对其中的通电导体产生力的作用。
参考文献
[1]邹祖莉电磁学解题点窍[J].贵州教育学院学报,2007年,04期。
[2]秦阳浅析物理电磁学中的“广义安培定则”[J].中国教师,2011年,S1期。