“新左手定则”的使用优势剖析——对《物理》教材电磁学部分手势修订提议

刘素帆,康 乐

(1.许昌学院 电气(机电)工程学院，河南 许昌 461000;2.许昌学院 公共实验中心,河南 许昌461000)

近年来笔者对物理教材中电磁学部分多有研究.统一左手和右手定则,方便学生记忆和使用，有必要深入讨论，以期尽早地修订教材，推广“新左手定则”，加速中学物理电磁学部分的教学创新与改革.

1 传统教材中的“老方法”与“新左手定则”的比较

1.1 传统教材中的“老方法”

人民教育出版社出版的物理教材中电磁学部分关于通电螺线管的N极判断方法、电流的磁场方向判断方法、感应电流方向的判断方法、感应电动势方向的判断方法、电流受磁场力方向的判断方法以及自由电荷在磁场中运动所受磁场力方向的判断方法等方法表述如下.

1.1.1 通电螺线管N极的判断

高等学校21世纪规划教材《大学物理》上册中第八章电流与磁场，第二节电流的磁场，表述了判断通电螺线管N极的方法——安培定则(二)：用右手握住螺线管，让弯曲的四指指向螺线管中电流的方向，则拇指所指的那端就是螺线管的N极，如图1所示[1].

1.1.2 电流磁场方向的判断

高等学校21世纪规划教材《大学物理》上册，第八章电流与磁场中的第二个问题“电流的磁场”，表述了直线电流磁场方向的判断方法——安培定则(一)：右手握住导线，让伸直的拇指的方向与电流的方向一致，那么弯曲的四指所指的方向就是磁感线的环绕方向(如图2)[1].表述了环形电流磁场方向的判断方法——安培定则(二)(如图3)：右手握住螺线管，让弯曲的四指所指的方向跟电流的方向一致，拇指所指的方向就是螺线管内部的磁感线的方向.

1.1.3 电流在磁场中受力以及运动电荷在磁场中受力方向的判断

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课程标准实验教科书《物理》(选修1-1)第二章磁场，第三个问题“磁场对通电导线的作用”中，表述了通电直导体在磁场中所受磁场力(安培力)方向的判断方法——左手定则：伸开左手，使拇指跟其余四指垂直，并且都跟手掌在同一个平面内，让磁感线穿入手掌，并使四指指向电流的方向，那么，拇指所指的方向就是通电导线所受安培力的方向(如图4).在本章第四个问题“磁场对运动电荷的作用”中表述了正电荷在磁场中运动(负电荷的运动可以看成正电荷的逆向运动)受到磁场的作用力(洛伦兹力)如图5所示，这个力的方向判断用的是左手定则，同通电直导体在磁场中所受安培力的方向判断方法类同[2].

1.1.4 感应电流方向的判断

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课程标准实验教科书《物理》(选修3-2)，第四章电磁感应,第3节“楞次定律”中表述了闭合线圈中磁通量发生变化时，线圈中有感应电流产生.判断感应电流方向的方法——楞次定律(右手螺旋定则)：感应电流具有这样的方向，即感应电流的磁场总要阻碍引起感应电流的磁通量的变化.还表述了闭合回路中的一部分导体在磁场中切割磁感线时产生感应电流.感应电流方向的判断方法——右手定则：伸开右手，使拇指与其余四个手指垂直，并且都与手掌在同一个平面内，让磁感线从掌心进入，并使拇指指向导线运动的方向，这时四指所指的方向就是感应电流的方向(如图6)[3].

1.1.5 感应电动势方向的判断

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课程标准实验教科书《物理》(选修3-2)，第四章电磁感应,第5节“电磁感应现象的两类情况”中，表述了闭合回路的磁通变化时有感应电动势产生，方向的判断方法——楞次定律(右手螺旋定则)(如图7).还表述了一段导线在做切割磁感线运动时，产生感应电动势，该感应电动势被称为动应电动势，方向的判断方法与判断洛伦兹力方向的方法相同——左手定则(如图5)[3].

以上判断方法称之为“传统判断方法”(以下简称“老方法”)，这些判断方法手势繁多复杂，累赘琐碎，容易混淆错乱，记忆难度大，学生学习效率低下.它在1980年的中学物理教材中就已经出现，直到现行的物理教材都没有改变过.截至目前，还没有人重视关注这一问题.笔者对“老方法”的便捷使用提出了质疑.

1.2 “新左手定则”对比应用

“新左手定则”(以下简称“新方法”)笔者已经在有关文章给出了解释内容，为了在本文中应用方便，在此重复“新左手定则”——即把左手伸开，使大拇指跟其余四个手指垂直，并和手掌在同一平面内(在判断直导体切割磁感线时所产生的感应电流方向、通电直导体以及运动电荷在磁场中所受磁场力的方向时，把左手放入磁场中，让磁感线垂直穿入手掌)，手掌贴导体，使伸开的四指指向 “原因”的方向，则大拇指所指的方向就是 “结果”的方向(因四个手指指向“原因”，一个拇指指向“结果”，所以记住：“原因多，结果少” ， “万众一心” )[4].称为新左手定则手势.

1.2.1 对“老方法”的分析

使用教材上传统方法来判断不同形状电流周围的磁场、不同情况下感应电流或者感应电动势的方向、通电直导体和运动电荷在磁场中受力方向等，这些判断方法，前面已经一一作了介绍.分析这些方法 ，各种方向判断手势有左手也有右手，有伸也有握，四指和拇指指向有表示电流的，也有表示运动的，也有表示磁场方向的.手势繁多，复杂易混淆，直接导致学生的学习效率低下，影响了教学效果.

1.2.2 新方法的应用

新方法的应用解析[5,6]，笔者已有文章发表 ，在此不作详述，只做简单总结.

(1)通电直导体、环形电流、通电螺线管周围磁场的方向判断.

如图1、2、3，该问题可以理解为“电生磁”，电流是原因，磁场是结果. 摆好新左手定则手势，让四指所指方向与手掌所贴处导体内电流方向一致，即指向原因方向，则拇指所指方向就是左手所在处的磁场方向，即结果方向.然后根据电流磁场的闭合性，来判断整个磁场的方向.

(2)通电直导体或者运动电荷(即正电荷.负电荷可以看成是正电荷的逆向运动)在磁场中受力的方向判断.如图4、5. 这个问题的判断手势，新老手势恰好相同，结果也完全一样.

(3)螺线管中的磁通变化时，螺线管中感应电流或者感应电动势方向的判断.如图7.

分析这个问题，线圈中的磁通发生了变化，导致线圈中有感应电流产生，所以，磁通变化是原因，感应电流是结果. 摆好新左手定则手势，手掌与线圈轴线平行，让四指指向与磁通动态变化方向一致，即原因方向，具体地说，就是如果磁通增加，四指指向原磁场的反方向，如果磁通减少，四指指向原磁场的同方向，则拇指所指方向，就是手掌所贴处线圈中感应电流的方向，即结果方向.

(4)直导体切割磁感线产生感应电流或者感应电动势的方向判断.如图8所示.

闭合电路的一部分导体在磁场中做切割磁感线运动时，闭合电路中就有感应电流产生，该感应电流的方向判断，摆好新左手定则手势，让四指指向导体运动方向，即原因方向，则拇指所指方向，就是左手所在处导体内感应电流或者感应电动势的方向，即结果方向，由N指向M.

图1 判断N极图2 判断磁场方向图3 判断磁场方向图4 判断受力方向

图5 判断受力方向图6 判断感应电流方向图7 判断感应电动势方向图8 判断感应电流方向

综合以上情况，对新、老方法手势的比较分析可知，新方法判断只需左手，而且手势不变，方便记忆，不仅为学生解题提高了速度，也提升了准确率，使用起来方便快捷.由此可知，中学物理教材电磁学部分创新教学改革的必要性.

2 对“新左手定则”的优势阐释

2.1 只需明确“原因”和“结果”两个因素

“新左手定则”中提出的“原因”和“结果”，是根据题意来分析所得.前面根据具体问题已经分析过.

2.2 使用步骤简单

通过以上分析可知，在应用“新左手定则”时，只需注意以下几个步骤.

第一，分析题意，找出“原因”和“结果”；

第二，摆好新左手定则手势；

第三，明确答案.

四指指向“原因”，拇指则指向“结果”.( 可用“万众一心”借比，原因多，结果少).

如果是判断磁场，可根据磁场的性质——磁感线的闭合性来明确答案.

2.3 “新左手定则”的特点明确

通过以上分析，不难发现“新左手定则”有如下特点：手势单一，记忆简便，使用快捷，准确率高.

在认真分析题意，明确原因和结果的基础上，掌握了“新左手定则”的使用步骤，做题时就省去了原来左手右手的选择、手势繁杂、容易混淆、出错率高的麻烦.只用左手判断，也不必把右手中握的笔放下，考场上分秒必争，这样就为考试节省了时间，而且大大提高了做题速度和准确率，同时也提高了教学效果.从理论上讲，“新左手定则”的构建，为中学物理教材电磁学部分的教学改革提出参考意见.

2.4 实例展示“新左手定则”的优势

(1)通电直导体和通电线圈周围的磁场判断，如下图9所示.

判断过程：判断图甲通电直导体周围的磁场，因为通了电(原因)，所以才有磁场(结果).摆好新左手定则手势，四指指向原因电流方向，则拇指所指方向向右，就是直导体在手掌处所产生的磁场方向.根据磁感线的闭合性，可知如图所示的磁场.这个判断结果，同图乙教材的老判断方法的判断结果，但手势和方法更简单.

判断图丙通电螺线管周围的磁场，左手手势不变，手掌贴线圈，四指指向上同电流(原因)方向，则拇指所指方向即左手所在处的磁场(结果)方向向右，根据磁感线的闭合性可知，线圈周围的磁场如图所示.判断结果与教材上的右手定则判断结果一样.

从上面判断不同形状电流的磁场方向这个问题，就已经看出新左手定则的简便性.

(2)直导体和螺线管中感生电流的方向的判断，如图8和图10所示.

图9 磁场判断图10 感应电流的方向的判断

判断过程：对于图8，因为闭合回路中一部分导体切割磁感线，所以才有电流产生.摆好新左手定则手势，四指指向导体的切割(原因)方向即向右，则大拇指的指向(结果)是向里，即感生电流的方向.判断结果和教材判断方法即右手定则判断结果一样.

对于图10中的甲乙丙丁，因为磁铁接近或者远离线圈，使线圈中的磁通也就是磁感线条数发生变化(原因)，导致了线圈中有电流产生(结果).摆好新左手定则手势，对于图甲，线圈中的客人来了，即是增加的，走向是向下的，那四指就去迎接，向上指，则拇指所指方向是向右，如图所示方向，就是感应电流方向；对于图乙，线圈中的客人走了，即是减少，走向是向下的，那四指就去送送，向下指，则拇指所指方向是向左，如图所示方向，就是感应电流方向；对于图丙，线圈中客人来了，即是增加，走向是向上，那四指就去迎接，向下指，则拇指所指方向是向左，如图所示方向，就是感应电流方向；对于图丁，线圈中客人走了，即是减少，走向是向上，那四指去送送，向上指，则拇指所指方向是向右，如图所示，就是感应电流方向.

从判断不同情况下感应电流(包括感应电动势)方向这个问题看，新左手定则手势取代了不同的右手手势，判断思路也简单，突出了新左手定则的优越性.

(3)通电直导体和运动电荷在磁场中的受力方向的判断，如图11所示.

图11 受力方向的判断

判断过程：对于图11中的甲，因为导体 中有电流，所以才会受到磁场力.摆好新左手定则手势，手心向下，贴导体，四指垂直于纸面向外指和电流方向(原因)相同，则拇指指向向左，就是通电直导体在磁场中的受力方向(结果).

对于图11中的乙，因为正电荷在磁场中运动(原因)，所以受到磁场力(结果).摆好新左手定则手势，手心向外，让磁感线垂直穿过手心，四指向上指，则拇指所指方向向左，如图所示，就是正电荷在磁场中运动所受的磁场力的方向；如果是负电荷，因其所受磁场力方向相反，所以可看成正电荷的逆向运动来判断.

判断通电直导体和运动电荷在磁场中受力方法可知，新左手定则的手势和教材上的判断方法是一样的.

从(1)(2)(3)这三种问题的判断可以看出，新左手定则的优势所在，根据因果关系，利用一个简单的手势，就可以快速准确地判断出结果.新右手定则对于“自感”和“互感”同样适用.

3 结语

学生通过电磁感应现象发现问题、寻找原因、快速判断，能有效激发学生的学习兴趣，并能培养学生分析问题、解决问题的能力，还能有效推动我国教育教学的改革创新.因此希望有关部门重视“新左手定则”这一教学科研成果，并建议国家对现行的中学物理教材进行修改，以适应科学技术的进步对基础教育提出的新要求.