普通物理中畢奧—薩伐爾定律的教學(xué)研究

　　蘭州資源環(huán)境職業(yè)技術(shù)學(xué)院
　　【摘 要】畢奧-薩伐爾定律是電磁學(xué)中一個(gè)十分重要的定律，它是由法國(guó)著名的科學(xué)家畢奧和薩伐爾經(jīng)過長(zhǎng)期合作研究得出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)主要研究的是載流長(zhǎng)直導(dǎo)線對(duì)磁極的作用反比于距離，同時(shí)還對(duì)電流對(duì)磁極作用力的影響進(jìn)行了確定。為了更好地掌握畢-薩定律，文章針對(duì)普通物理中這項(xiàng)定律的教學(xué)進(jìn)行了詳細(xì)的研究和分析。
　　【關(guān)鍵詞】普通物理 畢奧-薩伐爾定律 教學(xué)研究
　　作為電磁學(xué)中的一項(xiàng)基本規(guī)律，畢奧-薩伐爾定律第一次指出了電磁之間的量化關(guān)系和作用，對(duì)電磁學(xué)的發(fā)展有著極大的影響和意義。這項(xiàng)定律中包含的基本物理思想和方法，對(duì)現(xiàn)代物理的發(fā)展起到了十分重要的影響。一般情況下，普通物理教材中對(duì)這項(xiàng)定律進(jìn)行引用的方法為：首先對(duì)磁感應(yīng)強(qiáng)度進(jìn)行定義，然后給出畢奧-薩伐爾定律的結(jié)論，最后把讀者的注意力引向解題和計(jì)算[1]。但是筆者認(rèn)為在實(shí)際引用的過程中，這種方式還存在明顯的不足。因此本文將對(duì)普通物理中畢奧-薩伐爾定律的教學(xué)進(jìn)行深入的研究，希望能夠有效地解決存在的問題。
　　一、建立畢奧-薩伐爾定律的實(shí)驗(yàn)過程
　　過去由于受到庫(kù)侖定律的影響，很多科學(xué)家都相信電和磁之間不存在相應(yīng)的關(guān)系，在進(jìn)行研究的時(shí)候也是將電和磁分別開來。后來丹麥物理學(xué)家奧斯特在研究中發(fā)現(xiàn)了電流的磁效應(yīng)，這一消息迅速傳到了法國(guó)的科學(xué)界，僅僅一周的時(shí)間，安培就取得了重要的研究成果。與此同時(shí)，畢奧和薩伐爾進(jìn)行了相關(guān)的電磁的實(shí)驗(yàn)，并且在法國(guó)科學(xué)院會(huì)議上做了重要報(bào)告。他們發(fā)現(xiàn)：磁針的南極和北極被載流長(zhǎng)直導(dǎo)線施加的力都反比于磁極與導(dǎo)線之間的距離。這個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果是人類第一次對(duì)電流磁效應(yīng)的定量研究[2]。
　�。ㄒ唬�實(shí)驗(yàn)原理
　　畢奧和薩伐爾應(yīng)用實(shí)驗(yàn)的方法建立了畢奧-薩伐爾定律。整個(gè)實(shí)驗(yàn)原理可以分為三方面：第一，在對(duì)小磁針的受力狀況進(jìn)行測(cè)量的過程中應(yīng)用了磁針的振蕩周期法，準(zhǔn)確地求出磁力反比于振蕩周期的平方數(shù)，巧妙地通過震蕩周期間接地測(cè)量載流直導(dǎo)線產(chǎn)生的作用在磁場(chǎng)上的力；第二，為了更好地消除地磁場(chǎng)對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響，他們通過補(bǔ)償法避免了實(shí)驗(yàn)中地磁場(chǎng)對(duì)磁針磁化產(chǎn)生的誤差，提高了實(shí)驗(yàn)的精確度；第三，根據(jù)具有對(duì)稱性的彎折導(dǎo)線作用在磁極上的力的實(shí)驗(yàn)，求解作用力的大小和彎折角度的關(guān)系，并且導(dǎo)出定量的公式。因此，從一些特殊的電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)導(dǎo)出電流源產(chǎn)生磁場(chǎng)的一般公式，就是畢奧-薩伐爾定律實(shí)驗(yàn)過程的實(shí)質(zhì)[3]。
　�。ǘ�）磁現(xiàn)象的電流本質(zhì)
　　安培在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，首先是將奧斯特的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了重復(fù)，同時(shí)他也在思考一個(gè)更具深度的問題，就是：磁只能通過電流產(chǎn)生嗎？磁的本質(zhì)究竟是什么？為了更好地對(duì)這一系列問題進(jìn)行解答，安培首先做了一個(gè)對(duì)比，之后又先后進(jìn)行了三次實(shí)驗(yàn)。安培認(rèn)為在磁體間的作用都是磁最基本的現(xiàn)象和反映，因此之后他又將奧斯特實(shí)驗(yàn)和次體檢的基本作用進(jìn)行了相應(yīng)的對(duì)比。因?yàn)樗�認(rèn)為在奧斯特的實(shí)驗(yàn)過程中電流基本上都被當(dāng)成了磁體，所以也是主要的施力磁體。那么究竟電流能否充當(dāng)受力的磁體呢？針對(duì)這一問題，安培也進(jìn)行了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)。通過實(shí)驗(yàn)，安培發(fā)現(xiàn)電流確實(shí)能夠充當(dāng)基本的受力磁體。在不斷地實(shí)驗(yàn)和探究過程中，他對(duì)很多之前存在的問題都進(jìn)行了相應(yīng)的分析和解答。因此通過大量的實(shí)驗(yàn)，安培又在原本實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了大膽的假設(shè)：磁性物質(zhì)中由于真實(shí)的存在分子電流，因此磁現(xiàn)象真正的發(fā)源是由電流形成的[4]。
　　二、畢奧-薩伐爾定律的體驗(yàn)和理解
　�。ㄒ唬┐排c電流間的量化關(guān)系
　　雖然之前安培對(duì)很多電流的問題進(jìn)行了研究和分析，但是在磁和電流間的量化關(guān)系究竟是什么，對(duì)于這一問題得到了相應(yīng)的進(jìn)展的是畢奧和薩伐爾。他們?cè)趯?duì)這一問題進(jìn)行研究的時(shí)候，首先是將奧斯特之前的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了重復(fù)，同時(shí)在奧斯特原本的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上也對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行了完善和改進(jìn)，因此形成了畢奧-薩伐爾裝置。在這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)裝置中，導(dǎo)線一經(jīng)通電，那么兩磁極同時(shí)受力，但是圓盤上的系統(tǒng)還是相應(yīng)地保持靜止?fàn)顟B(tài)。因此他們通過這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出的結(jié)論是：兩個(gè)磁力相對(duì)應(yīng)的導(dǎo)線磁力的大小是相等的，但是由于方向是相反的，因此兩者之間的作用力被相互抵消；同時(shí)由于磁力和電流的強(qiáng)度是成正比的，因此直線電流對(duì)磁極的作用力和電流的強(qiáng)度也是成正比的。
　�。ǘ�）畢奧-薩伐爾定律的體驗(yàn)
　　由于畢奧-薩伐爾的實(shí)驗(yàn)是在很多前提實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，因此我們?cè)诤推渌�的物理定律進(jìn)行對(duì)比的時(shí)候能夠很明顯地發(fā)現(xiàn)它們之間有很多共同的特點(diǎn)，但是在整體實(shí)驗(yàn)的方向感還是存在很大差別的。比如在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的過程中，在同樣一個(gè)平面內(nèi)，有兩個(gè)方向垂直的兩個(gè)電流元，我們只要熟練地掌握了畢奧-薩伐爾定律，那么就很容易對(duì)磁感應(yīng)的強(qiáng)度做出分析和判斷，對(duì)我們學(xué)習(xí)電流指示也有著很大的幫助和影響[5]。
　　（三）畢奧-薩伐爾定律的理解
　　我們?cè)趯W(xué)習(xí)物理的時(shí)候有一個(gè)十分常見的定則叫作“左手定則”。因此我們?cè)趯?duì)上文中的例子進(jìn)行研究的過程中，想要更好地將問題進(jìn)行簡(jiǎn)化，首先可以將電路中的其他環(huán)節(jié)去除。也就是說在同一個(gè)空間中只存在兩個(gè)電流元，那么在對(duì)這一問題進(jìn)行研究的過程中，我們就可以認(rèn)為這兩個(gè)電流元是在電荷元低速的運(yùn)行過程中產(chǎn)生和出現(xiàn)的，因此在他們之間所產(chǎn)生的磁力實(shí)際上是沒有滿足牛頓第三定律的。
　　我們?cè)趯?duì)定律進(jìn)行研究的過程中，通過實(shí)驗(yàn)的方式最終得出了磁現(xiàn)象的電流本質(zhì)。因此在現(xiàn)代物理理論中我們發(fā)現(xiàn)，無論是電流還是分子電流，都是電荷的運(yùn)動(dòng)。因此可以說，電磁現(xiàn)象的本質(zhì)都是起源于最基本的電荷運(yùn)動(dòng)。在對(duì)定律建立的研究過程中，我們通過實(shí)驗(yàn)、對(duì)比等方式得到了畢奧-薩伐爾定律，同時(shí)我們還在這一定律中通過對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的研究和分析，得出了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)結(jié)論，對(duì)今后普通物理教學(xué)的開展將起到極大的幫助。同時(shí)，學(xué)生在對(duì)這一物理問題進(jìn)行理解的過程中也將有更明確的認(rèn)識(shí)，對(duì)今后物理課程的學(xué)習(xí)和開展將起到有效的促進(jìn)作用[6]。
　　三、結(jié)束語
　　本文對(duì)畢奧-薩伐爾定律的建立過程進(jìn)行了詳細(xì)的研究和分析，同時(shí)也對(duì)基本的實(shí)驗(yàn)原理和相關(guān)的環(huán)節(jié)進(jìn)行了詳細(xì)的闡述。物理本身就是一項(xiàng)比較枯燥的學(xué)科，并且這門學(xué)科的實(shí)驗(yàn)性比較強(qiáng)，學(xué)習(xí)定律和實(shí)驗(yàn)是不可分割的。加強(qiáng)對(duì)這類定律的分析和研究，不僅有助于教師更好地開展教學(xué)，也有助于學(xué)生更好地進(jìn)行物理學(xué)習(xí)。在對(duì)定律的研究過程中，通過實(shí)驗(yàn)，學(xué)生對(duì)物理有了新的認(rèn)識(shí)和理解。因此，在今后的學(xué)習(xí)過程中，教師要更好地對(duì)相關(guān)的定律進(jìn)行研究，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)的過程中對(duì)問題的本質(zhì)進(jìn)行研究。這樣才能更有利于普通物理教學(xué)的開展和發(fā)展，有利于促進(jìn)整體物理教學(xué)水平的提高。
　　【參考文獻(xiàn)】
　　[1]高卓，孫作江，劉鵬，等.畢奧-薩伐爾定律的教學(xué)研究[J].物理與工程，2014，24（06）：43-46.
　　[2]呼和滿都拉，冀文慧，楊洪濤，等.畢奧-薩伐爾定律建立的探討[J].物理通報(bào)，2014，28（11）：18-23.
　　[3]孟祥國(guó)，張寶鋒，崔風(fēng)華，等.由麥克斯韋方程組推導(dǎo)出畢奧-薩伐爾定律的幾種方法[J].聊城大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2014，17（01）：25-26，65.
　　[4]王較過.畢奧-薩伐爾定律的建立過程[J].四川師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2011，24（06）：614-617.
　　[5]周武雷.畢奧-薩伐爾定律的教育價(jià)值評(píng)述[J].中國(guó)科教創(chuàng)新導(dǎo)刊，2009，35（28）：81，83.
　　[6]高志華，何俊.畢奧-薩伐爾定律的教學(xué)研究[J].物理通報(bào)，2007（10）：18-19.

相關(guān)熱詞搜索：教學(xué)研究 定律 物理 薩伐爾 中畢奧