左手定则、右手定则以及右手螺旋定则辨析

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  高中物理教学中,左手定则、右手定则以及右手螺旋定则是为数不多的“手语”。由于定则本身所涉及内容容易混淆,对初学者来讲,反而成了困惑。下面,我将从定则内容的基础出发,细致地剖析出该类定则所体现出的异同。
  首先,区分好左、右手,是使用这些定则的前提;其次,就是要判断应用环境是在用电还是发电;再有,就是区分好拇指、四指、掌心所对应的不同物理量。
  一、左手定则
  1.应用环境:处于磁场中的通电导体棒(用电);在磁场中运动的带电粒子。
  2.涉及的物理量:
  ①四指:电流、正电荷的运动方向、负电荷运动的相反方向;
  ②掌心:磁场;
  ③拇指:安培力、洛倫兹力。
  二、右手定则
  1.应用环境:切割磁感线的导体棒(发电)。
  2.涉及的物理量:
  ①四指:电流;
  ②掌心:磁场;
  ③拇指:导体棒切割磁感线的(有效)速度方向。
  小结:比较一下左、右手定则。其共同点在于:“四指”与“掌心”所对应的物理量是一样的。而不同点在于“拇指”,对应了不同的物理量。所以,牢记“拇指”的属性是区分它们的好办法。并且,左手定则对应的是导体棒的用电过程,因电生力;右手定则对应导体棒的发电过程,因动生电;而在一些典型的动生起电过程中,导体棒既要发电又要用电,所以往往是先用右手,再使左手。
  三、右手螺旋定则(安培定则)
  1.应用于用电过程
  (1)通电直导线
  ①拇指:电流;
  ②四指:环形磁场。
  (2)通电环形导线或螺旋管
  ①拇指:环内磁场;
  ②四指:环形电流。
  小结:通电直导线与通电环形导线中,四指与拇指所对应的物理量刚好对调了。这一点在教学中易被忽略。另外,右手螺旋定则还经常与楞次定律结合,应用于发电过程。考虑到发电过程常常是在闭合回路中,与右手螺旋定则对应起来,即是用右手“拇指”表示感应电流所形成的磁场,而“四指”表示回路中的感应电流。这与上述“(2)通电环形导线或螺旋管”中的方式一致。具体应用时,不是由磁找电就是由电找磁。
  2.应用于发电过程
  (1)结合楞次定律寻找感应电流的方向或感应电动势的正负
  小结:楞次定律本身并不寻找感应电流方向,而是旨在阐明每个闭合回路或线圈都有一种固执的“脾气”,好比是一种“电磁惯性”。即它们不想轻易改变自己目前正拥有的(原)磁通量。如果由于某种外部或内部(自感)原因,该磁通量突然增加了,则回路中会产生相应的感应电流,以形成反向的(新)磁场来抵抗;如果该磁通量减少了,回路中也会产生相应的感应电流,以形成同向的(新)磁场来补充。感应电流与(新)磁场的关系,则是由右手螺旋定则来寻找的。所以,楞次定律常常是与右手螺旋定则捆绑使用,前者是能量守恒定律的必然结果,而后者能辅助前者。但就本质上来说,它们是两个不同的定律。在人教版的新教材中,有对两者进行明确的区分(如下图),这在旧教材中是没有提到的。
  左手定则(Fleming’s left-hand rule or the motor rule) 右手定则(Fleming’s right-hand rule or the dynamo rule)
  该方式更立体,但动作不好拿捏。相比之下,国内的改进版则显得更休闲、舒适一些。联想到此前对楞次定律的简洁描述,在这里,我们可以尝试把这三种“手语”也精简一下。它们能用同一只手来概括。若是打算把它们都“捆绑”在左手上,那么,之前的左手定则就照用不误。而当要用左手来切割磁感线发电时,只需让磁感线穿过掌背即可,拇指和四指的定义可以不变;接着,再尝试用左手螺旋来代替右手螺旋,则要把左手拇指或四指的其中之一进行反向理解。这两种替代,就前者来讲还勉强可行,而后者就比较勉强。
  最后提醒大家一下,高中物理涉及磁场的图像往往都是立体的。而我们在解答问题时,一定要注意平面图与立体图的结合。有时需要画出不同角度的观察画面(正视、侧视、斜视),以适应相应问题。
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