关于高中物理学习中磁场对运动电荷作用的探讨

李东博

鞍山市第三中学高三六班班级号1806

一、关于磁场对运动电荷作用

高中物理中的安培力，是通电导线在磁场中受到的作用力，它的方向是根据左手定则来判定的。由此，我们可以设想一下：第一，导线在不通电时，就不会受到磁场力的作用；在通电时，就会受到磁场力的作用。那么为什么说导线中通有电流？(导线中通有电流，说明导线中发生了自由电荷的移动)第二，导线在通电时，就会受到磁场力的作用，即导线中有自由电荷的定向移动。那么，我们所说的磁场对通电导线的作用力，会不会实际上就是在做定向移动的电荷上？第三，磁场对定向移动的电荷会有力的作用吗？(电流是由电荷的定向移动形成的，磁场对电流有力的作用，即对电荷有力的作用)。

二、磁场对运动电荷作用的探究实验

在这个实验当中，我们将蹄形磁铁作为磁场，将阴极射线管和高压线圈当作运动电荷，从而更生动直观地将实验现象展示出来。本次实验分为两种情况，第一种是在没有磁场(即没有蹄形磁铁的存在)的情况下，观察荧光屏显示电子束的径迹；第二种是在有磁场(即有蹄形磁铁的存在)的情况下，观察电子束的偏转情况，从而得出相应的结论。

通过以上简单的探究实验，我们不难得出结论：电子束在阴极射线管磁场中发生偏转，磁场对运动电荷存在作用力。

三、高中物理中磁场对电荷的作用分析之洛伦兹力

1.定义及其公式推导

荷兰物理学家洛伦兹最早提出“磁场对运动电荷有力的作用”。人们为了纪念他，把运动电荷在磁场中所受到的力称为洛伦兹力。在高中物理课本中，洛伦兹力的公式为F=qvB。洛伦兹力公式的推导推导有两个方案，第一，我们假设孤立的电荷以速度v在磁场中定向运动一段时间，且时间为t，则I=q/v，L=vt，f=ILB=q/t，B=qvB；第二，假设有一段长为l的导线，横截面积为S，单位体积内自由电荷数为n，每个电荷带电量为q，运动速度为v，则，导线中电流I=Q/t=nSq/t，t=l/v，所以，I=nqvS。另外，由磁场强度定义B=F/IL，得知导线所受安培力：F=BIL，将I=nqvS带入得，安培力F=(nqvS)BL。我们可以把安培力看作是作用在每个运动电荷上的洛伦兹力的合力，这段导线中含有的运动电荷数位nLS。所以，洛伦兹力F=安培力/电荷数=(nqvS)BL/nLS=qvB。

除此之外，还需要注意的是，上述推导是在v⊥B的基础上建立起来的，所以，这个表达式洛伦兹力F=qvB只适应于v⊥B的情况。

2.洛伦兹力的方向

通电导线所受的安培力可以用左手定则来判断，电流的形成是由于电荷的定向移动，磁场对这个电流有力的作用，即磁场对电荷有力的作用。同理推测，洛伦兹力的方向是否也可以用左手定则来判断？

我们进行实验验证的时候存在两种情况：第一，在不改变磁场方向的情况下，观察电子束的偏转方向；第二，在改变磁场方向的情况下，观察电子束的偏转方向，从而得出洛伦兹力的方向可以用左手定则进行判定的结论。在进行洛伦兹力方向判定的时候，首先判断运动电荷形成的电流方向，其次根据左手定则判定洛伦兹力的方向。

3.洛伦兹力的左手定则

将左手手掌摊开，让磁感线穿过手掌心，四指指向电荷(正)的运动方向，那么和四指垂直的大拇指所指的方向就是洛伦兹力的方向。注意，正电荷的洛伦兹力的方向是大拇指所指的方向；如果是负电荷，其洛伦兹力的方向是大拇指指向的反方向。另外，可以把负电荷看作是运动方向相反的正电荷，四指代表负电荷运动的反方向，那么，与四指垂直的大拇指所指的方向就是负电荷的洛伦兹力的方向。

4.洛伦兹力与安培力的关系

安培力(载流导线在磁场中受到的作用力)是洛伦兹力(带电粒子―载流子―在磁场中受到的作用力)的宏观表现，洛伦兹力是安培力的微观本质。

导线中的电流是由其中的载流子定向移动形成的。假设导线横截面积为S，其中有电流I通过，设导线单位体积内有n个载流子，每个载流子的电量为q，为了方便简单计算，设各载流子定向移动的速度都为v，如果B⊥v，那么每个载流子受到洛伦兹力都为f=qvB；长度为L的导线中共有N=nLS个载流子，它们受到的洛伦兹力的合力为F=Nf=nLSqvB，而电流I=Q/t=Nq/t=nSvq。所以，F=ILB，即各载流子所受洛伦兹力的合力等于安培力。

通过理论依据和进行实验观察，我们知道磁运动电荷在磁场中受到的力是洛伦兹力；通过理论猜想和进行实验验证，我们知道洛伦兹力方向的判断也可以用左手定则进行；通过学习，我们知道安培力是洛伦兹力的宏观表现；依据洛伦兹力和安培力的关系，我们推导出了在v⊥B的前提下，洛伦兹力F=qvB。

五、加强用网络环境的应用

现代学习环境中，学习渠道和资源是十分丰富的，我们应该善于利用各种优势资源。学生天生对新事物是有很高的关注度的，而互联网这种新鲜渠道也很受我们青睐，学习时更能发挥我们的主观能动性，提高效率。在学习磁场对运动电荷的作用时，书本里既定的内容是远远不够我们全方位认知的，因此我们应主动去了解与之有联系的课外知识。例如，在说明“安培力是洛伦兹力的宏观表现”时，网上有关于这个知识点的动画分析图，导线的剖析画面可以清楚地展示电子和电流方向的变化动态，安培力的影响过程，可以很快地理解每个运动电荷受洛伦兹力的合力与安培力的关系。网上的学习课件也是层出不穷的，个人可以根据自身喜好选择难度适宜的教师笔记来补充完善自己的漏洞。

[1]何永林.高中物理磁场相关知识教学的研究[D].苏州大学，2015.

[2]朱建洪.高中物理“磁场”一章情境教学研究[D].苏州大学，2015.