螺絲釘在中學(xué)物理教學(xué)中的新應(yīng)用

潘福東，趙子珍，陳鳳榮

(廣西師范大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，廣西 桂林 541004)

中學(xué)物理的電磁學(xué)往往令大部分學(xué)生敬而遠(yuǎn)之，其中既有右手螺旋定則［1－4］(判斷感應(yīng)電流方向)，還有左手定則。很多學(xué)生經(jīng)常分不清右手定則和左手定則的使用場合、手勢各部分代表的物理量?？荚嚂r(shí)如果緊張，更容易弄錯(cuò)，一些需要多次判斷的復(fù)雜題目，會導(dǎo)致思維混亂，甚至心煩意亂，無法平靜面對考試;另外，如果在考場中做手勢，會干擾別人或被別人干擾。為此，本文探討了一種新方法——螺絲釘法，可以替代右手螺旋定則，簡單快捷地判斷電流方向與磁感應(yīng)強(qiáng)度方向，也是作者多年物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與系列創(chuàng)新之一。

1 螺絲釘法原理

1.1 右手螺旋定則

如圖1所示，右手螺旋定則是表示電流與電流激發(fā)磁場的磁感線方向關(guān)系的定則。通電直導(dǎo)線中的安培定則——安培定則(一):用右手握住通電直導(dǎo)線，讓大拇指指向電流的方向，那么四指的指向就是磁感線的環(huán)繞方向。通電螺線管中的安培定則——安培定則(二):用右手握住通電螺線管，使四指彎曲與電流方向一致，那么大拇指所指的那一端是通電螺線管的 N 極［5－6］。

圖1 右手螺旋定則

1.2 螺絲釘順時(shí)針旋進(jìn)

圖2(a)為常見的十字螺絲釘，釘帽部分是一個(gè)帶有十字形的圖樣，釘尖部分細(xì)如針。順時(shí)針旋轉(zhuǎn)螺絲釘可以旋入螺帽中，釘尖部分是進(jìn)去的，顯現(xiàn)在外部的只有帶有十字形的釘帽，如圖2(b)所示。把螺絲釘順時(shí)針旋進(jìn)比作方向?yàn)榇怪奔埫嫦蚶锏拇鸥袘?yīng)強(qiáng)度或電流，順時(shí)針方向則為相對應(yīng)的感應(yīng)電流方向或磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向;反之，若知道磁感應(yīng)強(qiáng)度或電流的方向?yàn)轫槙r(shí)針方向，此時(shí)就可以判斷電流方向或磁感應(yīng)強(qiáng)度方向垂直紙面向里。

圖2 螺絲釘旋進(jìn)與旋出

1.3 螺絲釘逆時(shí)針旋出

當(dāng)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)螺絲釘時(shí)，可以漸漸看到螺絲釘?shù)尼敿?，最后完全看到釘尖如圖2(c)所示，此時(shí)可以用一黑點(diǎn)來標(biāo)志螺絲釘旋出的狀態(tài)。把螺絲釘旋出的狀態(tài)比作磁感應(yīng)強(qiáng)度方向或電流方向在垂直于紙面向外的方向，逆時(shí)針方向就代表對應(yīng)的感應(yīng)電流方向或磁感應(yīng)強(qiáng)度方向;反之，當(dāng)電流方向或磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向?yàn)槟鏁r(shí)針方向時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度方向或電流的方向?yàn)榇怪庇诩埫嫦蛲狻?/p>

2 螺絲釘法在電磁學(xué)中的應(yīng)用［7－12］

2.1 螺絲釘法在直路電流中的應(yīng)用

電流方向垂直于紙面向里或向外:當(dāng)電流方向垂直于紙面向里時(shí)(見圖3(a))，畫出順時(shí)針方向的環(huán)形，則順時(shí)針方向就是磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向，順時(shí)針環(huán)形就是磁感線。當(dāng)電流方向?yàn)榇怪庇诩埫嫦蛲鈺r(shí)(見圖3(b))，畫出逆時(shí)針方向的環(huán)形，則逆時(shí)針方向就是磁感應(yīng)度的方向，逆時(shí)針環(huán)形為磁感線。

圖3 電流方向垂直于紙面向里(或向外)

任意方向的直路電流(見圖4):任何方向的直路電流，都可以根據(jù)其電流方向畫出相對應(yīng)的方向，則可以判斷磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向，相對應(yīng)的環(huán)形就是相對應(yīng)的磁感線。

圖4 電流方向?yàn)槿我夥较虻闹甭冯娏?/p>

應(yīng)注意:“旋進(jìn)”畫順時(shí)針，“旋出”畫逆時(shí)針，判斷方法既方便又簡單。

2.2 螺絲釘法在環(huán)形電流中的應(yīng)用

平面內(nèi)的順時(shí)針方向的環(huán)形電流(見圖5(a)):電流方向?yàn)轫槙r(shí)針方向，根據(jù)螺絲釘法原理，當(dāng)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)螺絲釘時(shí)，螺絲釘是進(jìn)去的。說明此時(shí)在環(huán)形電流內(nèi)部磁感應(yīng)線應(yīng)該是垂直紙面向里的，又根據(jù)磁感應(yīng)線的閉合性可知，環(huán)形電流外部的磁感應(yīng)線垂直于紙面向外。

圖5 順時(shí)針或逆時(shí)針方向的環(huán)形電流

平面內(nèi)逆時(shí)針方向的環(huán)形電流(見圖5(b)):電流方向?yàn)槟鏁r(shí)針，根據(jù)螺絲釘法原理可知，逆時(shí)針方向旋出螺絲釘。可判斷此時(shí)環(huán)形電流內(nèi)部的磁感應(yīng)強(qiáng)度方向?yàn)榇怪庇诩埫嫦蛲?，環(huán)形電流外部的磁感應(yīng)強(qiáng)度方向?yàn)榇怪庇诩埫嫦蚶铩?/p>

任意方向的環(huán)路電流(見圖6):同樣可以應(yīng)用螺絲釘法解決磁感應(yīng)方向的判斷，“旋進(jìn)”畫順時(shí)針，“旋出”畫逆時(shí)針。由此判斷環(huán)形電流與磁感應(yīng)強(qiáng)度的關(guān)系，直觀明了。

圖6 任意方向的環(huán)形電流

2.3 螺絲釘法在通電螺旋管中的應(yīng)用

若已知電流方向判斷磁場方向(圖7(a)):對流入電流的那段導(dǎo)線，在其截面上畫一個(gè)順時(shí)針方向的環(huán)形，穿過螺線管內(nèi)部的那一部分環(huán)形的順時(shí)針方向就是螺旋管內(nèi)部的磁感應(yīng)強(qiáng)度方向;在螺旋管外部的那一部分環(huán)形的順時(shí)針方向就是磁感應(yīng)強(qiáng)度在螺線管外部的磁感應(yīng)方向，電流的方向?yàn)閳D7(b)所示的方向。同理，可以運(yùn)用螺絲釘法判斷，環(huán)形在螺旋管內(nèi)部的順時(shí)針方向?yàn)槁菪軆?nèi)部的磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向，外部為磁感應(yīng)強(qiáng)度在螺旋管外部的方向。在已知電流方向判斷磁感應(yīng)強(qiáng)度方向，運(yùn)用螺絲釘法的總體辦法很簡單:若流入電流的導(dǎo)線那一端被管蓋住，則在下端畫順時(shí)針環(huán)形并標(biāo)出順時(shí)針方向;若流入電流的那一端沒被管蓋住，則在上端畫順時(shí)針環(huán)形并標(biāo)出順時(shí)針方向，此時(shí)的順時(shí)針環(huán)形的方向?yàn)橄鄬?yīng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向。

若已知磁場方向判斷電流方向(見圖8(a)):B為通電螺線管激發(fā)的磁場，可以在螺線管的兩端畫兩個(gè)順時(shí)針方向的環(huán)形，如圖8(a)所示的1、2。因?yàn)?那一端的通電導(dǎo)線被管蓋住，所以1的順時(shí)針環(huán)形畫在下端;2的那一端通電導(dǎo)線沒被管蓋住，因此在上端畫順時(shí)針環(huán)形。1和2之中必定有一個(gè)與磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向相同，與之相同則說明那一端的導(dǎo)線為電流流入的一端，2順時(shí)針的環(huán)形在管內(nèi)的方向和在管外的方向與通電螺旋管激發(fā)的磁場在螺線管內(nèi)外部的方向相同，則可以判斷b端為電流流入端，如圖8(b)所示。相對復(fù)雜的通電螺線管的電流方向的判斷也可以運(yùn)用上述原理去判斷。

圖7 已知電流方向判斷磁場

圖8 已知磁場判斷電流方向

上述應(yīng)用結(jié)果都是經(jīng)過安培定則驗(yàn)證的，與安培定則判斷的結(jié)果是一致的，因此證明了螺絲釘法應(yīng)用的可行性與正確性。

3 典例分析［13－14］

例1:已知兩螺線管的極性如圖9所示，判斷電流方向。

圖9 通電螺線管

解析:手心面對自己，所以判斷起來是有一定的難度的;用螺絲釘法，能快速簡單地解答出來，如圖10所示。在兩端畫兩個(gè)順時(shí)針的環(huán)形，與B(通電螺線管實(shí)際激發(fā)的磁感應(yīng)強(qiáng)度)方向相同的環(huán)形的一端為電流流入的一端，可見左邊順時(shí)針的環(huán)形在管內(nèi)的方向和在管外的方向與通電螺旋管激發(fā)的磁場在螺線管內(nèi)外部的方向相同;而右邊順時(shí)針的環(huán)形與通電螺線管實(shí)際激發(fā)的磁場方向不一致。由此可以簡單地判斷，電流由左端流入。

圖10 螺絲釘解法舉例

例2:已知開口鐵芯環(huán)形螺線管的管芯內(nèi)的磁場方向如圖11(a)所示，判斷電流從a端還是b端流入?

圖11 環(huán)形通電螺線管及螺絲釘解題法

解析:用螺絲釘法判斷電流流入端，如圖11(b)所示。在導(dǎo)線的一端畫出一個(gè)順時(shí)針的環(huán)形，如果該環(huán)形在螺線管內(nèi)部的方向與環(huán)形螺線管激發(fā)的磁感應(yīng)強(qiáng)度方向一致，則該端就是電流流入的一端;若順時(shí)針環(huán)形在螺線管內(nèi)部的方向與環(huán)形螺線管激發(fā)的磁感應(yīng)強(qiáng)度方向不一致，則說明電流從該端流出，從另外一端流入?？梢娺\(yùn)用螺絲釘法可以快速地判斷出:電流方向是由b端流入的。

4 結(jié)束語

安培定則是判斷電流方向與磁感應(yīng)強(qiáng)度方向的傳統(tǒng)方法，雖然應(yīng)用起來也相對簡單，但是螺絲釘法顯得略勝一籌。

首先，右手螺旋定則是比較生疏的，螺絲釘法應(yīng)用于電磁學(xué)方面替代右手螺旋定則時(shí)，把陌生、抽象的概念變成熟悉、具體化了，方便理解和應(yīng)用;其次，因?yàn)楦咧须姶艑W(xué)中既有右手定則還有左手定則，如果螺絲釘法應(yīng)用于電磁學(xué)方面替代右手螺旋定則，會減少學(xué)生對左手定則學(xué)習(xí)的干擾;再次，在生活中經(jīng)常用到螺絲釘，順時(shí)針旋進(jìn)，逆時(shí)針旋出，是常識、易記、不易遺忘。相反，學(xué)生在學(xué)習(xí)右手螺旋定則時(shí)，經(jīng)常會把左手定則和右手定則搞混，分不清什么時(shí)候用左手定則，右手定則;而且時(shí)間長了，就忘得更干凈。

螺絲釘法解電磁學(xué)難題是一個(gè)創(chuàng)新的思路和實(shí)用方法，應(yīng)用的關(guān)鍵在于給學(xué)生滲透一個(gè)思想。螺絲釘順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的時(shí)候是旋進(jìn)狀態(tài)，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的時(shí)候是旋出狀態(tài)，然后把電流和磁感應(yīng)強(qiáng)度的關(guān)系與螺絲釘?shù)臓顟B(tài)結(jié)合起來，就能巧妙地應(yīng)用螺絲釘法解決電磁學(xué)難題。

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