關(guān)于高中物理學(xué)習(xí)中磁場對運(yùn)動(dòng)電荷作用的探討

李東博

鞍山市第三中學(xué)高三六班班級(jí)號(hào)1806

一、關(guān)于磁場對運(yùn)動(dòng)電荷作用

高中物理中的安培力，是通電導(dǎo)線在磁場中受到的作用力，它的方向是根據(jù)左手定則來判定的。由此，我們可以設(shè)想一下：第一，導(dǎo)線在不通電時(shí)，就不會(huì)受到磁場力的作用；在通電時(shí)，就會(huì)受到磁場力的作用。那么為什么說導(dǎo)線中通有電流？(導(dǎo)線中通有電流，說明導(dǎo)線中發(fā)生了自由電荷的移動(dòng))第二，導(dǎo)線在通電時(shí)，就會(huì)受到磁場力的作用，即導(dǎo)線中有自由電荷的定向移動(dòng)。那么，我們所說的磁場對通電導(dǎo)線的作用力，會(huì)不會(huì)實(shí)際上就是在做定向移動(dòng)的電荷上？第三，磁場對定向移動(dòng)的電荷會(huì)有力的作用嗎？(電流是由電荷的定向移動(dòng)形成的，磁場對電流有力的作用，即對電荷有力的作用)。

二、磁場對運(yùn)動(dòng)電荷作用的探究實(shí)驗(yàn)

在這個(gè)實(shí)驗(yàn)當(dāng)中，我們將蹄形磁鐵作為磁場，將陰極射線管和高壓線圈當(dāng)作運(yùn)動(dòng)電荷，從而更生動(dòng)直觀地將實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象展示出來。本次實(shí)驗(yàn)分為兩種情況，第一種是在沒有磁場(即沒有蹄形磁鐵的存在)的情況下，觀察熒光屏顯示電子束的徑跡；第二種是在有磁場(即有蹄形磁鐵的存在)的情況下，觀察電子束的偏轉(zhuǎn)情況，從而得出相應(yīng)的結(jié)論。

通過以上簡單的探究實(shí)驗(yàn)，我們不難得出結(jié)論：電子束在陰極射線管磁場中發(fā)生偏轉(zhuǎn)，磁場對運(yùn)動(dòng)電荷存在作用力。

三、高中物理中磁場對電荷的作用分析之洛倫茲力

1.定義及其公式推導(dǎo)

荷蘭物理學(xué)家洛倫茲最早提出“磁場對運(yùn)動(dòng)電荷有力的作用”。人們?yōu)榱思o(jì)念他，把運(yùn)動(dòng)電荷在磁場中所受到的力稱為洛倫茲力。在高中物理課本中，洛倫茲力的公式為F=qvB。洛倫茲力公式的推導(dǎo)推導(dǎo)有兩個(gè)方案，第一，我們假設(shè)孤立的電荷以速度v在磁場中定向運(yùn)動(dòng)一段時(shí)間，且時(shí)間為t，則I=q/v，L=vt，f=ILB=q/t，B=qvB；第二，假設(shè)有一段長為l的導(dǎo)線，橫截面積為S，單位體積內(nèi)自由電荷數(shù)為n，每個(gè)電荷帶電量為q，運(yùn)動(dòng)速度為v，則，導(dǎo)線中電流I=Q/t=nSq/t，t=l/v，所以，I=nqvS。另外，由磁場強(qiáng)度定義B=F/IL，得知導(dǎo)線所受安培力：F=BIL，將I=nqvS帶入得，安培力F=(nqvS)BL。我們可以把安培力看作是作用在每個(gè)運(yùn)動(dòng)電荷上的洛倫茲力的合力，這段導(dǎo)線中含有的運(yùn)動(dòng)電荷數(shù)位nLS。所以，洛倫茲力F=安培力/電荷數(shù)=(nqvS)BL/nLS=qvB。

除此之外，還需要注意的是，上述推導(dǎo)是在v⊥B的基礎(chǔ)上建立起來的，所以，這個(gè)表達(dá)式洛倫茲力F=qvB只適應(yīng)于v⊥B的情況。

2.洛倫茲力的方向

通電導(dǎo)線所受的安培力可以用左手定則來判斷，電流的形成是由于電荷的定向移動(dòng)，磁場對這個(gè)電流有力的作用，即磁場對電荷有力的作用。同理推測，洛倫茲力的方向是否也可以用左手定則來判斷？

我們進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的時(shí)候存在兩種情況：第一，在不改變磁場方向的情況下，觀察電子束的偏轉(zhuǎn)方向；第二，在改變磁場方向的情況下，觀察電子束的偏轉(zhuǎn)方向，從而得出洛倫茲力的方向可以用左手定則進(jìn)行判定的結(jié)論。在進(jìn)行洛倫茲力方向判定的時(shí)候，首先判斷運(yùn)動(dòng)電荷形成的電流方向，其次根據(jù)左手定則判定洛倫茲力的方向。

3.洛倫茲力的左手定則

將左手手掌攤開，讓磁感線穿過手掌心，四指指向電荷(正)的運(yùn)動(dòng)方向，那么和四指垂直的大拇指所指的方向就是洛倫茲力的方向。注意，正電荷的洛倫茲力的方向是大拇指所指的方向；如果是負(fù)電荷，其洛倫茲力的方向是大拇指指向的反方向。另外，可以把負(fù)電荷看作是運(yùn)動(dòng)方向相反的正電荷，四指代表負(fù)電荷運(yùn)動(dòng)的反方向，那么，與四指垂直的大拇指所指的方向就是負(fù)電荷的洛倫茲力的方向。

4.洛倫茲力與安培力的關(guān)系

安培力(載流導(dǎo)線在磁場中受到的作用力)是洛倫茲力(帶電粒子―載流子―在磁場中受到的作用力)的宏觀表現(xiàn)，洛倫茲力是安培力的微觀本質(zhì)。

導(dǎo)線中的電流是由其中的載流子定向移動(dòng)形成的。假設(shè)導(dǎo)線橫截面積為S，其中有電流I通過，設(shè)導(dǎo)線單位體積內(nèi)有n個(gè)載流子，每個(gè)載流子的電量為q，為了方便簡單計(jì)算，設(shè)各載流子定向移動(dòng)的速度都為v，如果B⊥v，那么每個(gè)載流子受到洛倫茲力都為f=qvB；長度為L的導(dǎo)線中共有N=nLS個(gè)載流子，它們受到的洛倫茲力的合力為F=Nf=nLSqvB，而電流I=Q/t=Nq/t=nSvq。所以，F(xiàn)=ILB，即各載流子所受洛倫茲力的合力等于安培力。

通過理論依據(jù)和進(jìn)行實(shí)驗(yàn)觀察，我們知道磁運(yùn)動(dòng)電荷在磁場中受到的力是洛倫茲力；通過理論猜想和進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，我們知道洛倫茲力方向的判斷也可以用左手定則進(jìn)行；通過學(xué)習(xí)，我們知道安培力是洛倫茲力的宏觀表現(xiàn)；依據(jù)洛倫茲力和安培力的關(guān)系，我們推導(dǎo)出了在v⊥B的前提下，洛倫茲力F=qvB。

五、加強(qiáng)用網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的應(yīng)用

現(xiàn)代學(xué)習(xí)環(huán)境中，學(xué)習(xí)渠道和資源是十分豐富的，我們應(yīng)該善于利用各種優(yōu)勢資源。學(xué)生天生對新事物是有很高的關(guān)注度的，而互聯(lián)網(wǎng)這種新鮮渠道也很受我們青睞，學(xué)習(xí)時(shí)更能發(fā)揮我們的主觀能動(dòng)性，提高效率。在學(xué)習(xí)磁場對運(yùn)動(dòng)電荷的作用時(shí)，書本里既定的內(nèi)容是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠我們?nèi)轿徽J(rèn)知的，因此我們應(yīng)主動(dòng)去了解與之有聯(lián)系的課外知識(shí)。例如，在說明“安培力是洛倫茲力的宏觀表現(xiàn)”時(shí)，網(wǎng)上有關(guān)于這個(gè)知識(shí)點(diǎn)的動(dòng)畫分析圖，導(dǎo)線的剖析畫面可以清楚地展示電子和電流方向的變化動(dòng)態(tài)，安培力的影響過程，可以很快地理解每個(gè)運(yùn)動(dòng)電荷受洛倫茲力的合力與安培力的關(guān)系。網(wǎng)上的學(xué)習(xí)課件也是層出不窮的，個(gè)人可以根據(jù)自身喜好選擇難度適宜的教師筆記來補(bǔ)充完善自己的漏洞。

[1]何永林.高中物理磁場相關(guān)知識(shí)教學(xué)的研究[D].蘇州大學(xué)，2015.

[2]朱建洪.高中物理“磁場”一章情境教學(xué)研究[D].蘇州大學(xué)，2015.