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        普通物理中畢奧—薩伐爾定律的教學(xué)研究

        發(fā)布時間:2018-06-21 來源: 感恩親情 點擊:


          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)中一個十分重要的定律,它是由法國著名的科學(xué)家畢奧和薩伐爾經(jīng)過長期合作研究得出的實驗結(jié)果。這項實驗主要研究的是載流長直導(dǎo)線對磁極的作用反比于距離,同時還對電流對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,文章針對普通物理中這項定律的教學(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,對電磁學(xué)的發(fā)展有著極大的影響和意義。這項定律中包含的基本物理思想和方法,對現(xiàn)代物理的發(fā)展起到了十分重要的影響。一般情況下,普通物理教材中對這項定律進(jìn)行引用的方法為:首先對磁感應(yīng)強度進(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算[1]。但是筆者認(rèn)為在實際引用的過程中,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-薩伐爾定律的實驗過程
          過去由于受到庫侖定律的影響,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的科學(xué)界,僅僅一周的時間,安培就取得了重要的研究成果。與此同時,畢奧和薩伐爾進(jìn)行了相關(guān)的電磁的實驗,并且在法國科學(xué)院會議上做了重要報告。他們發(fā)現(xiàn):磁針的南極和北極被載流長直導(dǎo)線施加的力都反比于磁極與導(dǎo)線之間的距離。這個實驗結(jié)果是人類第一次對電流磁效應(yīng)的定量研究[2]。
         。ㄒ唬⿲嶒炘
          畢奧和薩伐爾應(yīng)用實驗的方法建立了畢奧-薩伐爾定律。整個實驗原理可以分為三方面:第一,在對小磁針的受力狀況進(jìn)行測量的過程中應(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量載流直導(dǎo)線產(chǎn)生的作用在磁場上的力;第二,為了更好地消除地磁場對實驗的影響,他們通過補償法避免了實驗中地磁場對磁針磁化產(chǎn)生的誤差,提高了實驗的精確度;第三,根據(jù)具有對稱性的彎折導(dǎo)線作用在磁極上的力的實驗,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)生的磁場導(dǎo)出電流源產(chǎn)生磁場的一般公式,就是畢奧-薩伐爾定律實驗過程的實質(zhì)[3]。
         。ǘ┐努F(xiàn)象的電流本質(zhì)
          安培在進(jìn)行實驗的時候,首先是將奧斯特的實驗進(jìn)行了重復(fù),同時他也在思考一個更具深度的問題,就是:磁只能通過電流產(chǎn)生嗎?磁的本質(zhì)究竟是什么?為了更好地對這一系列問題進(jìn)行解答,安培首先做了一個對比,之后又先后進(jìn)行了三次實驗。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驗和次體檢的基本作用進(jìn)行了相應(yīng)的對比。因為他認(rèn)為在奧斯特的實驗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?針對這一問題,安培也進(jìn)行了相關(guān)的實驗。通過實驗,安培發(fā)現(xiàn)電流確實能夠充當(dāng)基本的受力磁體。在不斷地實驗和探究過程中,他對很多之前存在的問題都進(jìn)行了相應(yīng)的分析和解答。因此通過大量的實驗,安培又在原本實驗的基礎(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-薩伐爾定律的體驗和理解
         。ㄒ唬┐排c電流間的量化關(guān)系
          雖然之前安培對很多電流的問題進(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。他們在對這一問題進(jìn)行研究的時候,首先是將奧斯特之前的實驗進(jìn)行了重復(fù),同時在奧斯特原本的實驗基礎(chǔ)上也對實驗裝置進(jìn)行了完善和改進(jìn),因此形成了畢奧-薩伐爾裝置。在這項實驗裝置中,導(dǎo)線一經(jīng)通電,那么兩磁極同時受力,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驗結(jié)果得出的結(jié)論是:兩個磁力相對應(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;同時由于磁力和電流的強度是成正比的,因此直線電流對磁極的作用力和電流的強度也是成正比的。
         。ǘ┊厞W-薩伐爾定律的體驗
          由于畢奧-薩伐爾的實驗是在很多前提實驗的基礎(chǔ)上進(jìn)行的,因此我們在和其他的物理定律進(jìn)行對比的時候能夠很明顯地發(fā)現(xiàn)它們之間有很多共同的特點,但是在整體實驗的方向感還是存在很大差別的。比如在進(jìn)行實驗的過程中,在同樣一個平面內(nèi),有兩個方向垂直的兩個電流元,我們只要熟練地掌握了畢奧-薩伐爾定律,那么就很容易對磁感應(yīng)的強度做出分析和判斷,對我們學(xué)習(xí)電流指示也有著很大的幫助和影響[5]。
         。ㄈ┊厞W-薩伐爾定律的理解
          我們在學(xué)習(xí)物理的時候有一個十分常見的定則叫作“左手定則”。因此我們在對上文中的例子進(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。也就是說在同一個空間中只存在兩個電流元,那么在對這一問題進(jìn)行研究的過程中,我們就可以認(rèn)為這兩個電流元是在電荷元低速的運行過程中產(chǎn)生和出現(xiàn)的,因此在他們之間所產(chǎn)生的磁力實際上是沒有滿足牛頓第三定律的。
          我們在對定律進(jìn)行研究的過程中,通過實驗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,都是電荷的運動。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動。在對定律建立的研究過程中,我們通過實驗、對比等方式得到了畢奧-薩伐爾定律,同時我們還在這一定律中通過對實驗現(xiàn)象的研究和分析,得出了相關(guān)的實驗結(jié)論,對今后普通物理教學(xué)的開展將起到極大的幫助。同時,學(xué)生在對這一物理問題進(jìn)行理解的過程中也將有更明確的認(rèn)識,對今后物理課程的學(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,同時也對基本的實驗原理和相關(guān)的環(huán)節(jié)進(jìn)行了詳細(xì)的闡述。物理本身就是一項比較枯燥的學(xué)科,并且這門學(xué)科的實驗性比較強,學(xué)習(xí)定律和實驗是不可分割的。加強對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)。在對定律的研究過程中,通過實驗,學(xué)生對物理有了新的認(rèn)識和理解。因此,在今后的學(xué)習(xí)過程中,教師要更好地對相關(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,2014,28(11):18-23.
          [3]孟祥國,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(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(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值評述[J].中國科教創(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,2007(10):18-19.

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