高中物理选修磁感应强度的教学处理方法及建议

磁感应强度的教学处理方法及建议何引入磁感应强度概念，一直是一个比较困难的问题，也是一个值得研究的问题．磁感应强度是定量描述磁场性质的主要物理量，是电磁学中的一个重要基本概念，是教学重点，但磁感应强度比较抽象，因此也是教材中的一个难点．定义磁感应强度，传统的教学模式是用类比电场强度的方法．但是，磁感应强度矢量比电场强度矢量要复杂些，因为它的定义式中包含的物理量比电场强度的多，它的方向也不跟磁场力的方向一致．这种复杂性是由磁场本身的性质所决定的．在教学中，为了讲清这个既重要而又有一定难度的问题，并收到较好的教学效果，笔者在教学中曾经先后使用过以下五种不同的方法．如果把这些方法恰当地教给学生，无论是对掌握物理知识，还是对分析和研究物理问题都是大有益处的．这些方法，各有其利弊之处．现介绍如下，供大家在教学中依据对象或场合的不同，选择使用．方法一：用磁场对载流导线的作用来定义如图1所示，实验指出，如果电流在P处沿着与匀强磁场方向相垂直的方向流动时，载流导线所受的磁力最大，用Fm表示，方向垂直于电流向里．最大磁力Fm正比于电流的大小I，正比于导线的长度l，但比值Fm/Il却在该点P处具有确定的量值．比值与载流导线所通过的电流I和导线的长度l无关，它只决定于磁场的性质（所谓磁场的性质，指磁场的强弱和方向）．因此，比值Fm/Il反映了该点磁场的性质．也就是说，利用载流导线所受磁力的特征，可以引人描述磁场性质的物理量，这个是小磁针在该点处的受力方向．这种方法来源于现行高中课本．它的优点是物理模型比较直观，可接受性好，演示方便，但它不能突出地反映出磁场是点函数这一性质，因而不够严格，除中学课本采用外，其他书很少采用．可见，单纯依据教材讲授的方法定义磁感应强度，不能很好的理解这一重要概念．方法二：用磁场对电流元的作用来定义如果磁场不是均匀的，磁场中各点的强弱也就不一样．如果我们取一根长度为l的载流导线，用它所受的磁力来描述磁场中某点的磁场强弱，显然不能准确地反映磁场中该点的性质．因为一根宏观量为l的导线纵然很短，比起点来也是大得很多的．因此，用一个无限小的电流元Idl来取代有限大小的电流导线Il（dl是载流导线上所取的一段无限小线元，I是导线中所通过的电流．）用电流元所受的最大磁力dFm来取代一段磁针N极的受力方向．这种方法的优点是：它能突出磁场的点函数性质，能够很好地体现出磁场中的毕—沙—拉定律与静电场中点电荷电场的公式在地位上是同等的．缺点是电流不能独立存在，显得有些抽象，故在较浅课本中采用较少．由以上分析可以看出，方法一与方法二具有一定的互补性．方法三：用磁场对运动电荷的作用来定义实验发现：①在磁场中任一指定点P处，当运动电荷以同一速率v沿不同方向通过P点时，电荷所受磁力的大小是不同的，但磁力的方向却总是与电荷运动方向垂直；②在磁场中的P点处存在着一个特定的方向，当电荷沿这特定方向（或其它方向）运动时，磁力为零．这个特定方向，就是我们把小磁针放在P点时所测定的磁场方向，还发现：③如果电荷在P点沿着与磁场方向垂直的方向运动时，所受的磁力为最大．实验表明：④这个最大的磁力Fm正比于运动电荷的电量q，也正比于这样，从运动电荷所受磁力的特征，可引入描述磁场中给定点性质的基示，如图2．这种方法的优点是：能与电场直接对比，从理论上讲是完全可以的，由于带电粒子很小，用它受到的洛仑兹力能确定磁场中各点的磁感应强度．缺点是洛仑兹力属于未讲内容，接受起来比较困难，也比较抽象，尽管如此，笔者认为此法仍不失为是一种值得推荐的较好方法．方法四：用磁场对载流线圈的作用来定义利用磁场对载流线圈的作用来定义磁感应强度，需用到检验线圈．所谓检验线圈就是一个线度很小，通有很弱电流的载流线圈．若检验线方向，满足右手螺旋法则，即右手四指弯曲，四指指向电流的方向，伸直的拇指就是载流线圈的法线方向，如图3所示，因此，线圈的磁矩若把检验线圈悬在磁场中某点P处，线圈将受到磁场的作用力矩而旋转．当其转到一定的位置不动时，我们说它处于平衡．平衡时线圈所受的磁力矩为零．如果转动线圈，使线圈偏离平衡位置，那么线圈所受到的磁力矩并不是为零．当检验线圈从平衡位置转过90°时，线圈所受的磁力矩最大，用Mm表示．实验表明，在磁场某点处，Mm正比于I0S即Mm正比于Pm．但比值Mm/Pm却与Pm的大小无关，只与该点处的磁场性质有关．因此，可用该比值描述磁场．所以，场中某点磁感应强度B的大小在该点的受力方向，也就是线圈处于平衡位置时的法线方向．这种方法的优点是：较直观，物理图景清晰，意义明确．缺点是讨论过程较繁杂，推导中用到的知识学生没有学过，不能与电场直接对比，所以采用者较少．方法五：用单位面积中的磁通量来定义在磁场里，通常把穿过与磁场方向垂直的某一截面的磁感线条数叫做穿过这一平面的磁通量．如图4所示，这样磁感应强度的数值大小也等于垂直穿过该点很小面积内磁感线数跟该小面积的比值．在匀强磁场中我们就可以用垂直于磁场方向的单位面积中的磁通量来表示该处的磁磁场中磁针的N极所指的方向．方法五的优点是：用磁场中磁感线分布的疏密程度具体反映了磁场的强弱，教学处理方法简单，巧妙、形象，但此法只适用于匀强磁场．上述五种定义B的方法，各有优缺点，根据笔者多年的教学体会，提出如下参考意见：方法一与方法二具有互补性，在讲授新课时可结合课本，一并介绍给学生，以弥补课本之不足．方法三最佳，也可以在讲授新课时直接向学生介绍，用带电粒子作为磁场的检验物体，由于带电粒子很小，用它受到的洛仑兹力能确定