“新左手定則”的使用優勢剖析
——對《物理》教材電磁學部分手勢修訂提議

劉素帆,康 樂

(1.許昌學院 電氣(機電)工程學院，河南 許昌 461000;2.許昌學院 公共實驗中心,河南 許昌461000)

近年來筆者對物理教材中電磁學部分多有研究.統一左手和右手定則,方便學生記憶和使用，有必要深入討論，以期盡早地修訂教材，推廣“新左手定則”，加速中學物理電磁學部分的教學創新與改革.

1 傳統教材中的“老方法”與“新左手定則”的比較

1.1 傳統教材中的“老方法”

人民教育出版社出版的物理教材中電磁學部分關于通電螺線管的N極判斷方法、電流的磁場方向判斷方法、感應電流方向的判斷方法、感應電動勢方向的判斷方法、電流受磁場力方向的判斷方法以及自由電荷在磁場中運動所受磁場力方向的判斷方法等方法表述如下.

1.1.1 通電螺線管N極的判斷

高等學校21世紀規劃教材《大學物理》上冊中第八章電流與磁場，第二節電流的磁場，表述了判斷通電螺線管N極的方法——安培定則(二)：用右手握住螺線管，讓彎曲的四指指向螺線管中電流的方向，則拇指所指的那端就是螺線管的N極，如圖1所示[1].

1.1.2 電流磁場方向的判斷

高等學校21世紀規劃教材《大學物理》上冊，第八章電流與磁場中的第二個問題“電流的磁場”，表述了直線電流磁場方向的判斷方法——安培定則(一)：右手握住導線，讓伸直的拇指的方向與電流的方向一致，那么彎曲的四指所指的方向就是磁感線的環繞方向(如圖2)[1].表述了環形電流磁場方向的判斷方法——安培定則(二)(如圖3)：右手握住螺線管，讓彎曲的四指所指的方向跟電流的方向一致，拇指所指的方向就是螺線管內部的磁感線的方向.

1.1.3 電流在磁場中受力以及運動電荷在磁場中受力方向的判斷

由人民教育出版社出版2007年3月第2版，2015年7月河南第一次印刷的普通高中課程標準實驗教科書《物理》(選修1-1)第二章磁場，第三個問題“磁場對通電導線的作用”中，表述了通電直導體在磁場中所受磁場力(安培力)方向的判斷方法——左手定則：伸開左手，使拇指跟其余四指垂直，并且都跟手掌在同一個平面內，讓磁感線穿入手掌，并使四指指向電流的方向，那么，拇指所指的方向就是通電導線所受安培力的方向(如圖4).在本章第四個問題“磁場對運動電荷的作用”中表述了正電荷在磁場中運動(負電荷的運動可以看成正電荷的逆向運動)受到磁場的作用力(洛倫茲力)如圖5所示，這個力的方向判斷用的是左手定則，同通電直導體在磁場中所受安培力的方向判斷方法類同[2].

1.1.4 感應電流方向的判斷

由人民教育出版社出版的2010年4月第3版，2016年7月河南第一次印刷的普通高中課程標準實驗教科書《物理》(選修3-2)，第四章電磁感應,第3節“楞次定律”中表述了閉合線圈中磁通量發生變化時，線圈中有感應電流產生.判斷感應電流方向的方法——楞次定律(右手螺旋定則)：感應電流具有這樣的方向，即感應電流的磁場總要阻礙引起感應電流的磁通量的變化.還表述了閉合回路中的一部分導體在磁場中切割磁感線時產生感應電流.感應電流方向的判斷方法——右手定則：伸開右手，使拇指與其余四個手指垂直，并且都與手掌在同一個平面內，讓磁感線從掌心進入，并使拇指指向導線運動的方向，這時四指所指的方向就是感應電流的方向(如圖6)[3].

1.1.5 感應電動勢方向的判斷

由人民教育出版社出版的2010年4月第3版，2016年7月河南第一次印刷的普通高中課程標準實驗教科書《物理》(選修3-2)，第四章電磁感應,第5節“電磁感應現象的兩類情況”中，表述了閉合回路的磁通變化時有感應電動勢產生，方向的判斷方法——楞次定律(右手螺旋定則)(如圖7).還表述了一段導線在做切割磁感線運動時，產生感應電動勢，該感應電動勢被稱為動應電動勢，方向的判斷方法與判斷洛倫茲力方向的方法相同——左手定則(如圖5)[3].

以上判斷方法稱之為“傳統判斷方法”(以下簡稱“老方法”)，這些判斷方法手勢繁多復雜，累贅瑣碎，容易混淆錯亂，記憶難度大，學生學習效率低下.它在1980年的中學物理教材中就已經出現，直到現行的物理教材都沒有改變過.截至目前，還沒有人重視關注這一問題.筆者對“老方法”的便捷使用提出了質疑.

1.2 “新左手定則”對比應用

“新左手定則”(以下簡稱“新方法”)筆者已經在有關文章給出了解釋內容，為了在本文中應用方便，在此重復“新左手定則”——即把左手伸開，使大拇指跟其余四個手指垂直，并和手掌在同一平面內(在判斷直導體切割磁感線時所產生的感應電流方向、通電直導體以及運動電荷在磁場中所受磁場力的方向時，把左手放入磁場中，讓磁感線垂直穿入手掌)，手掌貼導體，使伸開的四指指向 “原因”的方向，則大拇指所指的方向就是 “結果”的方向(因四個手指指向“原因”，一個拇指指向“結果”，所以記住：“原因多，結果少” ， “萬眾一心” )[4].稱為新左手定則手勢.

1.2.1 對“老方法”的分析

使用教材上傳統方法來判斷不同形狀電流周圍的磁場、不同情況下感應電流或者感應電動勢的方向、通電直導體和運動電荷在磁場中受力方向等，這些判斷方法，前面已經一一作了介紹.分析這些方法 ，各種方向判斷手勢有左手也有右手，有伸也有握，四指和拇指指向有表示電流的，也有表示運動的，也有表示磁場方向的.手勢繁多，復雜易混淆，直接導致學生的學習效率低下，影響了教學效果.

1.2.2 新方法的應用

新方法的應用解析[5,6]，筆者已有文章發表 ，在此不作詳述，只做簡單總結.

(1)通電直導體、環形電流、通電螺線管周圍磁場的方向判斷.

如圖1、2、3，該問題可以理解為“電生磁”，電流是原因，磁場是結果. 擺好新左手定則手勢，讓四指所指方向與手掌所貼處導體內電流方向一致，即指向原因方向，則拇指所指方向就是左手所在處的磁場方向，即結果方向.然后根據電流磁場的閉合性，來判斷整個磁場的方向.

(2)通電直導體或者運動電荷(即正電荷.負電荷可以看成是正電荷的逆向運動)在磁場中受力的方向判斷.如圖4、5. 這個問題的判斷手勢，新老手勢恰好相同，結果也完全一樣.

(3)螺線管中的磁通變化時，螺線管中感應電流或者感應電動勢方向的判斷.如圖7.

分析這個問題，線圈中的磁通發生了變化，導致線圈中有感應電流產生，所以，磁通變化是原因，感應電流是結果. 擺好新左手定則手勢，手掌與線圈軸線平行，讓四指指向與磁通動態變化方向一致，即原因方向，具體地說，就是如果磁通增加，四指指向原磁場的反方向，如果磁通減少，四指指向原磁場的同方向，則拇指所指方向，就是手掌所貼處線圈中感應電流的方向，即結果方向.

(4)直導體切割磁感線產生感應電流或者感應電動勢的方向判斷.如圖8所示.

閉合電路的一部分導體在磁場中做切割磁感線運動時，閉合電路中就有感應電流產生，該感應電流的方向判斷，擺好新左手定則手勢，讓四指指向導體運動方向，即原因方向，則拇指所指方向，就是左手所在處導體內感應電流或者感應電動勢的方向，即結果方向，由N指向M.

圖1 判斷N極圖2 判斷磁場方向圖3 判斷磁場方向圖4 判斷受力方向

圖5 判斷受力方向圖6 判斷感應電流方向圖7 判斷感應電動勢方向圖8 判斷感應電流方向

綜合以上情況，對新、老方法手勢的比較分析可知，新方法判斷只需左手，而且手勢不變，方便記憶，不僅為學生解題提高了速度，也提升了準確率，使用起來方便快捷.由此可知，中學物理教材電磁學部分創新教學改革的必要性.

2 對“新左手定則”的優勢闡釋

2.1 只需明確“原因”和“結果”兩個因素

“新左手定則”中提出的“原因”和“結果”，是根據題意來分析所得.前面根據具體問題已經分析過.

2.2 使用步驟簡單

通過以上分析可知，在應用“新左手定則”時，只需注意以下幾個步驟.

第一，分析題意，找出“原因”和“結果”；

第二，擺好新左手定則手勢；

第三，明確答案.

四指指向“原因”，拇指則指向“結果”.( 可用“萬眾一心”借比，原因多，結果少).

如果是判斷磁場，可根據磁場的性質——磁感線的閉合性來明確答案.

2.3 “新左手定則”的特點明確

通過以上分析，不難發現“新左手定則”有如下特點：手勢單一，記憶簡便，使用快捷，準確率高.

在認真分析題意，明確原因和結果的基礎上，掌握了“新左手定則”的使用步驟，做題時就省去了原來左手右手的選擇、手勢繁雜、容易混淆、出錯率高的麻煩.只用左手判斷，也不必把右手中握的筆放下，考場上分秒必爭，這樣就為考試節省了時間，而且大大提高了做題速度和準確率，同時也提高了教學效果.從理論上講，“新左手定則”的構建，為中學物理教材電磁學部分的教學改革提出參考意見.

2.4 實例展示“新左手定則”的優勢

(1)通電直導體和通電線圈周圍的磁場判斷，如下圖9所示.

判斷過程：判斷圖甲通電直導體周圍的磁場，因為通了電(原因)，所以才有磁場(結果).擺好新左手定則手勢，四指指向原因電流方向，則拇指所指方向向右，就是直導體在手掌處所產生的磁場方向.根據磁感線的閉合性，可知如圖所示的磁場.這個判斷結果，同圖乙教材的老判斷方法的判斷結果，但手勢和方法更簡單.

判斷圖丙通電螺線管周圍的磁場，左手手勢不變，手掌貼線圈，四指指向上同電流(原因)方向，則拇指所指方向即左手所在處的磁場(結果)方向向右，根據磁感線的閉合性可知，線圈周圍的磁場如圖所示.判斷結果與教材上的右手定則判斷結果一樣.

從上面判斷不同形狀電流的磁場方向這個問題，就已經看出新左手定則的簡便性.

(2)直導體和螺線管中感生電流的方向的判斷，如圖8和圖10所示.

圖9 磁場判斷圖10 感應電流的方向的判斷

判斷過程：對于圖8，因為閉合回路中一部分導體切割磁感線，所以才有電流產生.擺好新左手定則手勢，四指指向導體的切割(原因)方向即向右，則大拇指的指向(結果)是向里，即感生電流的方向.判斷結果和教材判斷方法即右手定則判斷結果一樣.

對于圖10中的甲乙丙丁，因為磁鐵接近或者遠離線圈，使線圈中的磁通也就是磁感線條數發生變化(原因)，導致了線圈中有電流產生(結果).擺好新左手定則手勢，對于圖甲，線圈中的客人來了，即是增加的，走向是向下的，那四指就去迎接，向上指，則拇指所指方向是向右，如圖所示方向，就是感應電流方向；對于圖乙，線圈中的客人走了，即是減少，走向是向下的，那四指就去送送，向下指，則拇指所指方向是向左，如圖所示方向，就是感應電流方向；對于圖丙，線圈中客人來了，即是增加，走向是向上，那四指就去迎接，向下指，則拇指所指方向是向左，如圖所示方向，就是感應電流方向；對于圖丁，線圈中客人走了，即是減少，走向是向上，那四指去送送，向上指，則拇指所指方向是向右，如圖所示，就是感應電流方向.

從判斷不同情況下感應電流(包括感應電動勢)方向這個問題看，新左手定則手勢取代了不同的右手手勢，判斷思路也簡單，突出了新左手定則的優越性.

(3)通電直導體和運動電荷在磁場中的受力方向的判斷，如圖11所示.

圖11 受力方向的判斷

判斷過程：對于圖11中的甲，因為導體 中有電流，所以才會受到磁場力.擺好新左手定則手勢，手心向下，貼導體，四指垂直于紙面向外指和電流方向(原因)相同，則拇指指向向左，就是通電直導體在磁場中的受力方向(結果).

對于圖11中的乙，因為正電荷在磁場中運動(原因)，所以受到磁場力(結果).擺好新左手定則手勢，手心向外，讓磁感線垂直穿過手心，四指向上指，則拇指所指方向向左，如圖所示，就是正電荷在磁場中運動所受的磁場力的方向；如果是負電荷，因其所受磁場力方向相反，所以可看成正電荷的逆向運動來判斷.

判斷通電直導體和運動電荷在磁場中受力方法可知，新左手定則的手勢和教材上的判斷方法是一樣的.

從(1)(2)(3)這三種問題的判斷可以看出，新左手定則的優勢所在，根據因果關系，利用一個簡單的手勢，就可以快速準確地判斷出結果.新右手定則對于“自感”和“互感”同樣適用.

3 結語

學生通過電磁感應現象發現問題、尋找原因、快速判斷，能有效激發學生的學習興趣，并能培養學生分析問題、解決問題的能力，還能有效推動我國教育教學的改革創新.因此希望有關部門重視“新左手定則”這一教學科研成果，并建議國家對現行的中學物理教材進行修改，以適應科學技術的進步對基礎教育提出的新要求.