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对安培力与洛仑兹力教学思考
对安培力与洛仑兹力教学思考
物理教学,实际上是知识与技能的教学,因此,在课堂上应注重引导学生对概念的理解和加深,注重对学生如何提出问题和思考问题的方法的培养,掌握教材中概念的意义。在电磁学中,安培力和洛仑兹力是两个重要的概念,教学中,学生常常对这两个概念产生一些模糊认识,需要教师在教学中深入浅出,讲清楚这两个概念的关系。
一、安培力
安培力是指载流导线在磁场中受到的磁场力。设一段导线的电流强度I,导线的长度微元dl,磁感应强度B,则电流元Idl所受的安培力dF用公式表示为
dF=Idl×B……(1)
整个载流导线在磁场中受到的安培力F用公式表示为
F=∫Idl×B……(2)
在物理教学中,仅讨论一段长为L的载流直导线在匀强磁场中受到的安培力F用公式表示为
F=IL×B……(3)
当导线与磁场平行时,导线所受的力为零;当两者垂直时,所受的力为最大,即F=BIL。所以,在教学中,对载流直导线所受安培力情况,安培力大小还可用公式表示为
F=BILsinθ……(4)
其中θ为电流方向与磁场方向的夹角。
安培力的方向:用左手定则判定,F始终与L和B所确定的平面垂直。
(3)、(4)式称为安培公式,是从大量实验中总结出来的,是电磁学的基本实验定律之一。
在实际的教学中,无论是教师讲授例题方面,还是学生课外作业,都要针对性地选取安培力对通电导体做功的问题,让学生掌握安培力对导体的做功,将电能转化为机械能,从而了解电机的基本原理,实现课堂教学与实际相结合,同时使学生分析问题和解决问题的能力得到锻炼。
二、洛仑兹力
洛仑兹力是指运动电荷(包括宏观带电体和微观带电粒子)在磁场中受到的磁场力。设运动电荷的电量为q,运动速度为V,磁感应强度为B,洛仑兹力F的公式可表示为
F=qV×B……(5)
当V与B的方向垂直时受力最大,当V与B的方向平行或反平行时不受力。一般情况洛仑兹力的大小可表示为
F=qVBsinθ……(6)
其中θ为磁场方向与电荷运动方向之间的夹角。
洛仑兹力的方向:用左手定则判定,F垂直于V与B所决定的平面。
洛仑兹力方向的判断上,将运动电荷方向处理为电流方向,将判断安培力方向与洛仑兹力的方向都用左手定则,二者统一起来,但必须强调二者是两个不同的概念。以免学生混淆。
还应当指出,由于洛仑兹力的方向总是与运动电荷的速度方向垂直,洛仑兹力永远不对运动电荷做功,它只改变运动电荷的方向,而不改变它的速率和动能,从功能的观点引导学生进一步认识洛仑兹力。如让学生了解回旋加速器的基本原理,从而加深理解洛仑兹力的概念。
三、安培力与洛仑兹力的关系
这个问题虽然没有必要深层次地向学生讲解,但为了解答学生由于认识模糊而提出的问题,教师应该有一个明确的认识。
关于安培力与洛仑兹力的关系,许多电磁学书中是这样表述的,导体中的电流是由电荷的定向运动形成的,对于金属导体,电流是自由电子定向运动形成的,这些运动着的自由电子在磁场中要受到磁场力――洛仑兹力,自由电子在洛仑兹力的作用下,不断地和金属的晶体点阵发生碰撞,自由电子把这个洛仑兹力传给导体,宏观表现为载流导体受到的磁场力――安培力。这种表述不是很明确,容易使人产生模糊认识;另外,有的教师讲安培力与洛仑兹力关系时,简单概括为安培力的本质就是导体中的定向运动的电荷在磁场中受到洛仑兹力的叠加。这种表述也容易掩盖安培力和洛仑兹力的区别。(如在做功问题上,合力功等各分力功的代数和,若认为安培力是洛仑兹力的叠加,则安培力做功的值就等于洛仑兹力做功的代数和,又因洛仑兹力不做功,那么安培力也就不可能做功。这样将出现矛盾。)为了搞清二力的联系和区别,下面作进一步的分析。
1.首先比较安培力公式(1)和洛仑兹力公式(5),可以看出二者很相似。其中的qV与电流元Idl相当。这并不是偶然的,因为运动电荷就是一个瞬时的电流元。如图1所示,设长为△l的一段导体,通过的电流为I,由于电流是由大量自由电子定向移动形成的,设电子的定向移动速度为u,将此载流导体置于一匀强磁场(磁感应强度B)中不动,自由电子在洛仑兹力作用下发生偏转。如果导体无限粗,则受洛仑兹力作用的自由电子在不断与晶格碰撞而不断破坏其偏转运动的过程中,形成侧向移动,因而形成侧向宏观电流。但实际导体只能有限粗甚至很细,因此,这种侧向偏转运动将使自由电子在一侧积累成负电荷层,同时另一侧形成正电荷层,这样就形成了阻止自由电子偏转的侧向电场,且侧向电场随电荷积累的增加而增强,当自由电子受到的侧向电场力与洛仑兹力平衡时,自由电子的侧向移动即告停止。这种从不平衡到平衡的过程,
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