螺丝钉在中学物理教学中的新应用

潘福东，赵子珍，陈凤荣

(广西师范大学 物理科学与技术学院，广西 桂林 541004)

中学物理的电磁学往往令大部分学生敬而远之，其中既有右手螺旋定则［1－4］(判断感应电流方向)，还有左手定则。很多学生经常分不清右手定则和左手定则的使用场合、手势各部分代表的物理量。考试时如果紧张，更容易弄错，一些需要多次判断的复杂题目，会导致思维混乱，甚至心烦意乱，无法平静面对考试;另外，如果在考场中做手势，会干扰别人或被别人干扰。为此，本文探讨了一种新方法——螺丝钉法，可以替代右手螺旋定则，简单快捷地判断电流方向与磁感应强度方向，也是作者多年物理实验教学改革与系列创新之一。

1 螺丝钉法原理

1.1 右手螺旋定则

如图1所示，右手螺旋定则是表示电流与电流激发磁场的磁感线方向关系的定则。通电直导线中的安培定则——安培定则(一):用右手握住通电直导线，让大拇指指向电流的方向，那么四指的指向就是磁感线的环绕方向。通电螺线管中的安培定则——安培定则(二):用右手握住通电螺线管，使四指弯曲与电流方向一致，那么大拇指所指的那一端是通电螺线管的 N 极［5－6］。

图1 右手螺旋定则

1.2 螺丝钉顺时针旋进

图2(a)为常见的十字螺丝钉，钉帽部分是一个带有十字形的图样，钉尖部分细如针。顺时针旋转螺丝钉可以旋入螺帽中，钉尖部分是进去的，显现在外部的只有带有十字形的钉帽，如图2(b)所示。把螺丝钉顺时针旋进比作方向为垂直纸面向里的磁感应强度或电流，顺时针方向则为相对应的感应电流方向或磁感应强度的方向;反之，若知道磁感应强度或电流的方向为顺时针方向，此时就可以判断电流方向或磁感应强度方向垂直纸面向里。

图2 螺丝钉旋进与旋出

1.3 螺丝钉逆时针旋出

当逆时针旋转螺丝钉时，可以渐渐看到螺丝钉的钉尖，最后完全看到钉尖如图2(c)所示，此时可以用一黑点来标志螺丝钉旋出的状态。把螺丝钉旋出的状态比作磁感应强度方向或电流方向在垂直于纸面向外的方向，逆时针方向就代表对应的感应电流方向或磁感应强度方向;反之，当电流方向或磁感应强度的方向为逆时针方向时，磁感应强度方向或电流的方向为垂直于纸面向外。

2 螺丝钉法在电磁学中的应用［7－12］

2.1 螺丝钉法在直路电流中的应用

电流方向垂直于纸面向里或向外:当电流方向垂直于纸面向里时(见图3(a))，画出顺时针方向的环形，则顺时针方向就是磁感应强度的方向，顺时针环形就是磁感线。当电流方向为垂直于纸面向外时(见图3(b))，画出逆时针方向的环形，则逆时针方向就是磁感应度的方向，逆时针环形为磁感线。

图3 电流方向垂直于纸面向里(或向外)

任意方向的直路电流(见图4):任何方向的直路电流，都可以根据其电流方向画出相对应的方向，则可以判断磁感应强度的方向，相对应的环形就是相对应的磁感线。

图4 电流方向为任意方向的直路电流

应注意:“旋进”画顺时针，“旋出”画逆时针，判断方法既方便又简单。

2.2 螺丝钉法在环形电流中的应用

平面内的顺时针方向的环形电流(见图5(a)):电流方向为顺时针方向，根据螺丝钉法原理，当顺时针旋转螺丝钉时，螺丝钉是进去的。说明此时在环形电流内部磁感应线应该是垂直纸面向里的，又根据磁感应线的闭合性可知，环形电流外部的磁感应线垂直于纸面向外。

图5 顺时针或逆时针方向的环形电流

平面内逆时针方向的环形电流(见图5(b)):电流方向为逆时针，根据螺丝钉法原理可知，逆时针方向旋出螺丝钉。可判断此时环形电流内部的磁感应强度方向为垂直于纸面向外，环形电流外部的磁感应强度方向为垂直于纸面向里。

任意方向的环路电流(见图6):同样可以应用螺丝钉法解决磁感应方向的判断，“旋进”画顺时针，“旋出”画逆时针。由此判断环形电流与磁感应强度的关系，直观明了。

图6 任意方向的环形电流

2.3 螺丝钉法在通电螺旋管中的应用

若已知电流方向判断磁场方向(图7(a)):对流入电流的那段导线，在其截面上画一个顺时针方向的环形，穿过螺线管内部的那一部分环形的顺时针方向就是螺旋管内部的磁感应强度方向;在螺旋管外部的那一部分环形的顺时针方向就是磁感应强度在螺线管外部的磁感应方向，电流的方向为图7(b)所示的方向。同理，可以运用螺丝钉法判断，环形在螺旋管内部的顺时针方向为螺旋管内部的磁感应强度的方向，外部为磁感应强度在螺旋管外部的方向。在已知电流方向判断磁感应强度方向，运用螺丝钉法的总体办法很简单:若流入电流的导线那一端被管盖住，则在下端画顺时针环形并标出顺时针方向;若流入电流的那一端没被管盖住，则在上端画顺时针环形并标出顺时针方向，此时的顺时针环形的方向为相对应的磁感应强度的方向。

若已知磁场方向判断电流方向(见图8(a)):B为通电螺线管激发的磁场，可以在螺线管的两端画两个顺时针方向的环形，如图8(a)所示的1、2。因为1那一端的通电导线被管盖住，所以1的顺时针环形画在下端;2的那一端通电导线没被管盖住，因此在上端画顺时针环形。1和2之中必定有一个与磁感应强度的方向相同，与之相同则说明那一端的导线为电流流入的一端，2顺时针的环形在管内的方向和在管外的方向与通电螺旋管激发的磁场在螺线管内外部的方向相同，则可以判断b端为电流流入端，如图8(b)所示。相对复杂的通电螺线管的电流方向的判断也可以运用上述原理去判断。

图7 已知电流方向判断磁场

图8 已知磁场判断电流方向

上述应用结果都是经过安培定则验证的，与安培定则判断的结果是一致的，因此证明了螺丝钉法应用的可行性与正确性。

3 典例分析［13－14］

例1:已知两螺线管的极性如图9所示，判断电流方向。

图9 通电螺线管

解析:手心面对自己，所以判断起来是有一定的难度的;用螺丝钉法，能快速简单地解答出来，如图10所示。在两端画两个顺时针的环形，与B(通电螺线管实际激发的磁感应强度)方向相同的环形的一端为电流流入的一端，可见左边顺时针的环形在管内的方向和在管外的方向与通电螺旋管激发的磁场在螺线管内外部的方向相同;而右边顺时针的环形与通电螺线管实际激发的磁场方向不一致。由此可以简单地判断，电流由左端流入。

图10 螺丝钉解法举例

例2:已知开口铁芯环形螺线管的管芯内的磁场方向如图11(a)所示，判断电流从a端还是b端流入?

图11 环形通电螺线管及螺丝钉解题法

解析:用螺丝钉法判断电流流入端，如图11(b)所示。在导线的一端画出一个顺时针的环形，如果该环形在螺线管内部的方向与环形螺线管激发的磁感应强度方向一致，则该端就是电流流入的一端;若顺时针环形在螺线管内部的方向与环形螺线管激发的磁感应强度方向不一致，则说明电流从该端流出，从另外一端流入。可见运用螺丝钉法可以快速地判断出:电流方向是由b端流入的。

4 结束语

安培定则是判断电流方向与磁感应强度方向的传统方法，虽然应用起来也相对简单，但是螺丝钉法显得略胜一筹。

首先，右手螺旋定则是比较生疏的，螺丝钉法应用于电磁学方面替代右手螺旋定则时，把陌生、抽象的概念变成熟悉、具体化了，方便理解和应用;其次，因为高中电磁学中既有右手定则还有左手定则，如果螺丝钉法应用于电磁学方面替代右手螺旋定则，会减少学生对左手定则学习的干扰;再次，在生活中经常用到螺丝钉，顺时针旋进，逆时针旋出，是常识、易记、不易遗忘。相反，学生在学习右手螺旋定则时，经常会把左手定则和右手定则搞混，分不清什么时候用左手定则，右手定则;而且时间长了，就忘得更干净。

螺丝钉法解电磁学难题是一个创新的思路和实用方法，应用的关键在于给学生渗透一个思想。螺丝钉顺时针旋转的时候是旋进状态，逆时针旋转的时候是旋出状态，然后把电流和磁感应强度的关系与螺丝钉的状态结合起来，就能巧妙地应用螺丝钉法解决电磁学难题。

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