磁场教学需要注意两个问题

下面是小编为大家整理的磁场教学需要注意两个问题,供大家参考。

　磁场教学需要注意的两个问题 作

　者：

　许成城

　作者简介：

　许成城，浙江省平阳中学（浙江 平阳 325400）。

　原发信息：

　《中学物理教学参考》(西安)2013 年第 12 期 第 41-43 页

　期刊名称：

　《中学物理教与学》 复印期号：

　2014 年 04 期

　根据知识的难易程度及知识点间的递进关系，高中物理教材中磁场内容的教学一般都安排在电场之后，原因是教材要从电场强度的定义方式出发，通过类比，给出磁感应强度的定义。这样安排确实为难度较大的磁场概念的建立起到了很好的铺垫作用。然而，磁场与电场虽有相似之处，但区别也很大，如果学生没有注意到这些区别，仍用电场的思维来研究磁场，就有可能进入误区。不仅学生容易出现这样的问题，教材中也可能出现表述不妥的问题。下面举两个例子进行说明。

　 一、关于磁感应强度方向的定义问题

　 许多资料上这样表述：“磁场中某点的磁场方向就是小磁针北极在该点的受力方向”。这样的表述并不少见，甚至在教材中也会出现。例如，现行的人教版《物理》选修 3-1（2010 年 4 月第 3 版，2012 年 5 月浙江印刷）中第 83 页有这样一段描述：“小磁针静止后，它的指向也就确定了，显示出这一点的磁场对小磁针 N 极和 S 极的作用力的方向。物理学中

　把小磁针静止时 N 极所指的方向规定为该点的磁感应强度的方向，简称磁场的方向。”后一句的表述没问题，但前一句却有待商榷，其实，小磁针两极的指向有时并不能“显示受力方向”。

　 再如，人教版《物理》选修 1-1（2007 年 3 月第 2 版，2012 年 5 月浙江印刷）中第 27 页，有这样一段描述：“物理学规定，在磁场中的某一点，小磁针北极受力的方向，也就是小磁针静止时北极所指的方向，就是那一点的磁场方向。”

　 这种表述粗看上去没有问题，同名磁极相斥，异名磁极相吸，也符合这个说法。但是磁极附近的磁场一般是非匀强磁场，如果把磁极放在匀强磁场中，该表述就有问题了。这样定义磁感应强度的方向，容易混淆磁场力与电场力的方向特点。电场对点电荷的作用力方向一定沿着电场线的切线方向，只要区分正、负电荷的受力方向相反即可。但是，如果由此便想当然地认为“磁场对小磁针 N 极、S 极的作用力也是沿磁感线的切线方向，并且受力方向相反”，那就不妥了，因为这样实际上是从“电荷”的概念出发，类比到“磁荷”概念上去了，是思维定势造成的结果。

　 物理学研究磁场的方法并不是用“磁荷”的概念，对磁极的研究一般是用安培的“分子电流假说”，强调天然磁体的磁场与电流产生的磁场具有相同的本质，也就是说，磁极在磁场中的受力与通电导线在磁场中的受力本质上是一样的。由此，我们来看看小磁针（为了分析方便，这里以条形磁铁状的小磁针为例）在磁场中是怎样偏转的：根据分子电流假说，条形磁铁中的各“分子电流”的取向大致相同，整体上就相当于一个通电螺

　线管，其等效电流的截面如图 1 所示，其所受的磁场力都是与磁场方向垂直的，不可能“指向磁感线的切线方向”。至于小磁针在磁场中的偏转，那是因为小磁针本身的放置方向与磁场方向不平行时（如图 2 所示），“每匝线圈”两边所受磁场力的力偶矩（单从该截面位置看）不为零，从而使小磁针偏转，直到力偶矩为零时，小磁针才能平衡，最终静止下来。

　其实，磁极在非匀强磁场中的受力情况也是可以这样分析的。图 3 可以表示小磁针在其左边的一个磁极（N 极）所产生的磁场中的情形。当小磁针的放置方向与磁场方向平行时，小磁针若仅在磁场力作用下是不会平衡的，其宏观合力正好指向左边的磁极。这就是所谓“异名磁极相吸”的情形。至于小磁针的放置方向与磁场方向不平行的情形，也大同小异，不再赘述。

　单从表面上看，用小磁针的两个磁极分别受到沿磁场方向和逆磁场方向的一对力的作用，确实可以解释当小磁针的朝向与磁场不平行时的转动效果和最终能够静止在小磁针朝向与磁场平行的位置，但这样的解释其大前提就是错误的，会对学生理解科学概念产生误导。

　 “磁感线”在以前的教材中称为“磁力线”，人民教育出版社 1984年 12 月出版的《物理》乙种本第 91 页就有“磁力线”的概念。磁力线的概念容易误导学生对磁场力方向的理解，学生可能会类比电场力方向与电场方向的关系（切线方向），认为小磁针 N 极的受力方向与磁场方向一

　致，而 S 极的受力方向与磁场方向相反。所以在后来的教材中，就将这个概念改为“磁感线”了。

　 综上，笔者认为人教版《物理》选修 3-1 对磁感应强度的方向定义成“磁场中某点磁场方向就是小磁针在该点静止时 N 极所指的方向”才是妥当的。不过，这其中的深刻含义还需仔细琢磨，这样才能避免把“N 极所指的方向”误作“N 极受力的方向”。

　 二、关于安培力与洛伦兹力的关系问题

　 物理教材指出：“通电导线在磁场中所受的安培力，实际是洛伦兹力的宏观表现。”许多学生依此便认为“安培力是作用在每个运动电荷上的洛伦兹力的合力”（有些课外资料上也是这样写的）。也有一些学生提出了质疑：安培力是可以做功的，而洛伦兹力是不会做功的，既然每个自由电子所受的洛伦兹力都不会做功，那他们的合力怎么可能做功呢？这样的困惑来自对安培力与洛伦兹力关系的误解。

　 那么，宏观上的安培力与微观上的洛伦兹力到底有什么关系呢？

　 以通电的导体棒为例（如图 4 所示），设在垂直纸面向里的匀强磁场中有一根垂直于磁场方向放置的导体棒，当棒中通以向右的电流时，从微观上看，导体棒中的每个自由电子因做定向运动（这里可以不考虑自由电子无规则运动方面的因素）而受到的洛伦兹力方向都是垂直于导体棒向上的，从宏观上看就使导体棒受到了垂直于导线向上的安培力。乍一看，这个安培力确实就是所有自由电子所受洛伦兹力的总合力。但是这样看问题，其实已经默认了导体棒是不动的，如果导体棒是运动的呢？

　下面来分析导体棒沿着安培力的方向运动的情况。设导体棒某时刻的速度为 ，再设某个自由电子因导电而做定向运动的速度为 ，则自由电子除了定向运动之外，还有跟随导体棒的运动，自由电子相对于磁场的实际运动就是以上两个运动的合运动。通过对速度 、 的合成可以得到合速度 v（如图 5 甲所示），这时自由电子所受的洛伦兹力的方向垂直于合速度 v，也就是说洛伦兹力对自由电子仍然不做功。但是自由电子所受洛伦兹力的方向并非垂直于导体棒，因此，这时导体棒所受的安培力并不是棒中所有自由电荷所受的洛伦兹力的合力。我们可以把自由电子所受的洛伦兹力 沿导体棒方向和垂直导体棒方向进行分解，得到两个分力 和 （如图 5 乙所示）。不难得出， 的一个分力 （其中 e 为电子的电量，B 为磁场的磁感应强度），其方向与导体棒的速度 的方向相同，所以这个分力对自由电子做正功。

　的另一个分量 ，其方向与 的方向相反，阻碍自由电子的定向移动，对其做负功。不难证明，这两个分力 和 所做功的代数和为零，所以洛伦兹力在总体上还是不做功。

　此时，学生也许感到疑惑的是，洛伦兹力在这里没有作用吗？

　其实，从能量的角度进行分析，可以看出分力 对自由电子做负功，宏观上体现为在导体棒中产生了反电动势，消耗了电路所提供的电能；分力 对自由电子做正功，宏观上体现为安培力对导体棒做正功，可使导体棒的机械能增加（假设除此以外没有其他力参与做功）。从总体上看，洛伦兹力并没有做功，只是通过这两个分力所做的一个负功和一个正功巧妙地起到了转化能量的作用。

　 这样，学生可以明白，教材中之所以不说“安培力是作用在每个运动电荷上的洛伦兹力的合力”，是因为安培力只是作用在每个运动电荷上的洛伦兹力的一个分力（即前面所提的 ）的宏观合力，所以只说“安培力是洛伦兹力的宏观表现”。当导体棒在安培力的作用下运动时，安培力做正功，将电能转化为机械能，这并不违背“无论在什么情况下洛伦兹力都不做功”的科学结论。

　 需要说明的是，上面的实例分析只是针对“电动机”类问题的，其实在发电机类问题中，安培力与洛伦兹力也是这样的关系，其分析过程区别不大，不再赘述。