右手螺旋定則的溯源及其教學啟示

肖凱龍 張軍朋

(華南師范大學物理與電信工程學院,廣東 廣州 510006)

右手螺旋定則可幫助我們快速地判斷出載流直導線產生的磁場方向,教師也習以為常地教授給學生右手螺旋定則是什么以及如何使用它,學生的任務則是將教師“告訴”的內容記住.但鮮有人會疑問:為什么要用右手來判斷?它又是如何發展而來的?基于此,筆者嘗試梳理右手螺旋定則發展過程中的典型實驗,思考其給教學帶來的啟示.

1 右手螺旋定則的溯源

在1820年7月,丹麥物理學家奧斯特發現了電流的磁效應現象之后,人們便被如何預測小磁針的北極往哪邊偏轉的問題所困擾.以下筆者梳理了從一開始用儀器來判斷至目前普遍為大家所使用的右手螺旋定則的發展過程.

圖1 畢奧-薩伐爾實驗裝置

圖2 數學證明

他們還給出了數學證明,通過磁針取一個垂直于導線的水平面,磁針的平衡位置如圖2所示.A、B是磁針的兩極,C是它的中心,F是導線與水平面的交點.因為導線是無限長的,磁針的每個極受到的合力必定在水平面內.假定北極B受到的力沿BD方向,南極S受到的力沿AE方向.與導線距離相同處,導線對磁分子的作用是相同的,所以∠EAF=∠GBF.又因為磁針處于平衡狀態,由實驗測得BA⊥CF,所以BD與AE必須與磁針有相同的傾角,即∠DBF=∠EAC,這就要求∠DBF=∠EAF.因此∠DBF=∠GBF.又因為∠DBF+∠GBF=180°,所以∠DBF=∠GBF=90°.[1]

圖3 判斷直導線產生的磁場方向的儀器

畢奧-薩伐爾只是數學上證明載流導線作用在磁針上的力垂直于其到導線的距離,仍未給出如何判斷方向,后續物理學家們開始設計和制造儀器,希望將方向判斷可視化.

(2) 如圖3所示,英國電氣工程師WilliamSturgeon(1825)制造了一個判斷載流直導線產生的磁場方向的儀器.該儀器有4個伏打電池和接線柱,兩兩成對,分別在小磁針的上下方形成線路.當改變電路中電流的方向,可以實時地看到小磁針的偏轉方向,如表1所示.[2]

表1 實驗項目記錄表

該儀器制作材料易得,制作成本低,確實是一個不錯的儀器.但只是將奧斯特的4個實驗融合在一起,并且每次判斷方向之前都要將小磁針撥回原位,更關鍵是攜帶不方便.

圖4 假想的裝置圖

(3) 英國物理學家Henry Minchin Noad(1859)描述了一個儀器,如圖4所示.整個裝置由硬紙板制作而成,分成了3個部分,中間的AB板上有載流導線,一根木棍橫跨并鏈接著左右兩個磁盤.當電流從正極流向負極,在磁場的方向為N極指向S極的作用下,根據左手定則,箭頭C會指向載流導線受力的方向.同理,保持磁場方向不變,可旋轉AB板,使得電流方向變為由下往上,則箭頭C會指向里面.N極和S極磁盤也可旋轉,其上面的箭頭方向則表示直導線在附近產生的磁場方向.[3]

這個裝置原理上可以判斷出直導線在磁場作用下受到的安培力方向和直導線在其周圍產生的磁場方向,但目前依然沒有證實磁單極的存在,而該裝置的N、S極磁盤卻指的是磁單極.

(4) 英國電氣工程師Fleeming Jenkin(1874)利用人們都熟悉的手表作為基本模型,提出了一個設想:將一根載流導線從手表的背部穿過,類比指針總是環繞手表的軸心轉動,直導線產生的磁場方向也是環繞軸心.軸上的小磁針便會受到直導線產生磁場的作用,從而顯示出它們轉動的方向,如圖5所示.[4]

圖5 手表模型

雖然儀器可以實時呈現出方向,但是畢竟攜帶不便,不可隨時隨地使用.Jenkin開始思考用日常生活用品來設計記憶方法,結合了人們所熟悉的手表順時針轉動或者逆時針轉動來描述,確實是一個不錯的助記方法.但是如果要制造出來的話,則需要考慮軸上的摩擦力、需要多大的電流才能產生足夠的磁場使得桿轉動起來等問題.

(5) 安培也嘗試給出了一個簡單的記憶方法,這就是后來著名的安培定則.愛爾蘭科學作家Lardner和英格蘭物理學家Carey Foster(1874)給出了一個陳述:“根據這個規則,你將會很輕易就記住小磁針的偏轉方向.設想你在電流的上面游著,臉面對著小磁針,則小磁針將會往你的左手方向偏轉.”[5]也有其他的版本,你面對著小磁針,然后使得電流方向從你的腳部流向頭部,小磁針將會往你的左手方向偏轉.(美國科學教師Silliman,1858)[6]或者使電流從你的頭部流向腳,則小磁針將會往右偏,如圖6所示.(美國數學家Loomis,1858)[7]

圖6 安培的助記法

安培也不需要運用儀器,直接借助觀察者的身體,想象自己置身于電流所產生的磁場中,然后在電流的上方來判斷小磁針北極的偏轉方向.這想法雖然比較抽象,但很有啟發意義,即用人體本身的幾何特征來判斷.

(6) Hoadley(1900)提出了可以用右手來判斷,“把你的右手攤開,四指的方向指向電流的方向,并讓導向置于你的手掌之上,那么大拇指的方向就是電流產生磁場的方向,如圖7所示.”但這條規則有缺陷,它只適用于電流在手掌之上的情況,因此沒被廣泛使用.[8]

圖7 有缺陷的右手螺旋定則

(7) 1900年之后,教科書上才出現我們現在所熟悉的右手螺旋定則的表述： “用右手握著載流導線,大拇指的方向指向電流的方向,則四指環繞的方向就是磁場的方向,如圖8所示.”

圖8 現在的右手螺旋定則

可見,一開始物理學家們都傾向于用儀器來將方向可視化.但儀器攜帶不便,尤其是在學生做題的時候.在觀察和總結大量實驗數據后,物理學家們從簡便和教學的角度出發,不斷在前人的基礎上思考如何用每個人基本都有的物體來作為判斷工具,例如前文Jenkin的手表模型和Hoadley提出用手.最后大家便總結并約定一個簡潔的記憶方法,右手螺旋定則.[9]在這個過程中,我們可以看到右手螺旋定則并非是一步到位的,其中更不乏物理學家們巧妙的設計和智慧的結晶,值得教師融入右手螺旋定則的教學中.

2 教學啟示

在物理教學中,不少教師追求短平快的效果,往往忽視了物理知識深厚的底蘊,總是以“純粹的”、“修正的”形式向學生展現出人類科學認識的“終極成果”.這種教學方式雖然有利于縮短學生的認識過程和提高教學效率,但也將知識認識發展過程中的歷史曲折給抹平了.[10]因此,教師要著眼于發展學生的能力,應引導學生繼續深入思考到“為什么”的層面,了解物理知識的來龍去脈.為此,筆者思考分析后,得出以下3點關于課堂教學的啟示.

2.1 溯源物理知識的發展過程,完善學生的認知體系

大部分教師習慣于運用“告訴”的方式來教學,然后以期通過大量訓練來提高學生對物理知識的運用能力.但學生對知識的來源明顯了解不足,導致不少學生認為學物理只是為了高考,或者覺得物理定律得來毫不費力,甚至埋怨自己生不逢時,不然就可以用自己的名字命名這條定律.[11]因此,教師有必要了解物理知識的發展過程,以期站在一定的高度重新審視教學內容,在教學中選擇更合適角度切入.例如,教師普遍都是通過復述或者配合插圖比劃的方式來教授右手螺旋定則,屬于強行記憶.若教師事先了解右手螺旋定則的發展史,則不僅可以彌補關于“右手螺旋定則是怎么發展而來”這部分的認知空缺,并且在這個過程中,學生會根據不同物理學家提出的方案,用右手螺旋定則與之比對,實際上是在不同情景學習使用右手螺旋定則,完善了學生的認知體系,同時也讓學生了解到物理定律背后物理學家們的智慧和汗水.

2.2 加強問題意識,培養學生的科學思維

要想加強學生對物理知識認知的完整性和邏輯性,還需要教師備課時加強問題意識,嘗試多站在學生的角度,對于所要教授的內容,多問幾個“為什么”,從而啟發學生的深入思考.例如,在教授右手螺旋定則時,教師可提問:為什么會用右手來判斷直導線產生磁場的方向呢?學生可能回答,那是物理學家們通過實驗觀察總結而來的.那它又是如何發展而來的呢?難道一開始就想到用右手來判斷嗎?然后,學生便興趣盎然地聽教師講右手螺旋定則的發展過程.提問題的過程是一個深入思考的過程,然后教師將問題有機融入教學過程中,有效培養學生的科學思維能力.

2.3 挖掘物理學史上實驗的教育價值,增強學生的情感體驗

物理是一門以實驗為基礎的科學,實驗在物理教學中起到十分重要的作用,不管是從物理學發展的歷史上還是學生的物理知識的理解上其作用都無可替代.[12]相比于教師口頭講實驗,若教師能挖掘物理學史上的實驗并進行演示,或者組織學生進行小組實驗.一方面可以向學生展示物理學家的智慧,另一方面可以培養學生熱愛科學、嚴格操作、認真實驗的態度,增強學生的情感體驗.[13]例如,前文提到Sturgeon實驗儀器,他把奧斯特的4組實驗創新性地融合到一個儀器中.教師可以先指導學生自主完整奧斯特電流磁效應的實驗,然后再演示Sturgeon的實驗.

3 結語

正如愛因斯坦所指出的“科學的結論幾乎是以完成的形式出現在讀者面前,讀者體驗不到探索和發現的喜悅,感覺不到思想形成的生動過程,也很難達到清楚地解釋全部情況.”因此,教師應有意識地進行“溯源”教學,加強學生對物理知識認知的邏輯性和完整性,以期在過程中培養其科學思維能力.

參考文獻：

1 向義和.物理學基本概念和基本定律溯源[M].北京:高等教育出版社,1994:106-107.

2 William Sturgeona famous son of Whittington[EB/OL].http://whittingtonvillage.org.uk/html_pages/william_sturgeon/william_sturgeon.html

3 Henry M.Noad.A Manual of Electricity[M].London:Lockwood&Co,1859:643.

4 Fleeming Jenkin.Electricity and Magnetism[M].London:Longmans,GreenandCo,1874:62.

5 Dionysius Lardner, edited by Geotge Garey Foster,Handbook of Natural Philosophy:Electricity,Magnetismand Acoustics[M].London:Lockwood&Co,1874:142.

6 Benjamin Silliman.First Principles of Physics,or Natural Philosophy,or Natural Philosophy[M].Philadelphia:H.C.Peck&Theo.Bliss,1858:648.

7 Elias Loomis.Elements of Natural Philosophy[M].NewYork:Harperand Brothers,1858:327.

8 George A,Hoadley.A Brief Coursein General Physics[M].NewYork:American Book Company,1900:311.

9 Right-handrule-Wikipedia[EB/OL].https://en.wikipedia.org/wiki/Right-hand_rule

10 王士平.引入物理學史,增強物理教學的歷史感[J].物理教師,1998(10):5-6.

11 張信軍.注重“溯源”教學培養創新思維[J].物理通報,2001(10):24-25.

12 王詩鋒.關于中學物理實驗教學的現狀調查及幾點思考[J].物理教師,2013(01):48-50.

13 魯世明.挖掘物理實驗教學價值促進學生積極主動發展[J].物理教師,2016(05):27-30.