安培力与洛伦兹力学习反思

发布者:李明星     所属单位:临川第一中学     发布时间:2016-08-31    浏览数:0

众所周知,电流是标量。速度v,磁感应强度B均为矢量。

已知在安培力公式中,F=B·I·L·sinα。且已知电流方向,和B方向的条件下,利用左手定则即可判断力的方向。
将F=B·I·L·sinα与I=n·q·v·S连立即可得到洛伦兹力公式F=q·v·B·sinα。同时,洛伦兹力的方向也可以用左手定则判断。
以上都是很正常的事情。
然而,因为洛伦兹力中的v,B是矢量,且符合向量的叉乘原理,所以洛伦兹力方向的判定也可以使用叉乘原理中的右手定则。即F=B×v·q(脑补成矢量)。
不过由于安培力公式中的电流是标量,使得安培力公式虽然有向量叉乘的表示形式,但是不能够正式地按向量叉乘处理,虽然说无论是安培的左手定则,还是弗莱明的右手定则在实质上就是向量叉乘的右手定则。
我认为关键在电流I上。由宏观上的公式来看I=Q/t,再结合矢量标量的知识来说完全可以判断出电流是标量。而从I=n·q·v·S分析呢,就出了问题。这里的v是速度还是速率呢?
我首先想到的是安培力强调的是电流,而电流存在于导体之中,而洛伦兹力不管,只要是个点电荷就行。那么就会出现第一个问题,从I=Q/t到I=n·q·v·S,我们是在导体内部推导的,也就是说,这里的v应该是时时刻刻沿着导体(导线)的方向。而洛伦兹力中的用的是点电荷的速度。这两个v,是否可以划等号呢?要知道,电流在闭合电路中,只能够沿着导体(导线)运动,要是v是速度,那么电子走了一圈位移为零,速度也为零则电流为零,而电流又产生了。这是矛盾的。由v非速率即速度的互斥关系可反证得v是速率。这也可以从I=n·q·v·S得证,n q S都是标量,故v为什么量,I即什么量。
这就引发了下一个问题,电流是怎么运动的,如何描述其速度或速率。众所周知,高中物理是先下了质点的定义再下的位移与路程的定义。然而,电子虽小,在电路中的运动也是符合经典力学的,也可以当作质点以分析其位移,路程。
但是电流就不那么简单了。电流可以说成是一堆电子在导体中定向运动形成的流。很明显,电流由多个电子组成,不是说电子抱成一个团在导线里面滚。一个最简单的闭合电路中,电流是连续的,小灯泡不是忽明忽暗的。而我们要研究电流的运动情况,就不可以把电流当做质点处理。那么用假想的微观的一个电子的v来描述闭合电路中的电流v,很明显,顶多大小一样,方向不可定夺。而且,电子在导线中运动时可以认为是“匀速”,因为其收到阻力的作用,且这个阻力与v成正比,那么就像雨滴下落一样,雨滴受重力与阻力,最后匀直运动。但是雨滴和导线里面定向运动的电子不一样。1912年的卢瑟福用α粒子轰击金箔实验证明了原子内部的形态。所以不难想象,假设有一束电子从正极出发,有的可能一路上很直接彻底地通过了。而有的会受到原子的影响,而是运动轨迹不再那么“直”。而有的可能直接撞到原子核。所以说,推导公式I=n·q·v·S时,我们假设的是阻力之于电子是空气之于雨滴,也就是说,我们把阻力平均化,自然I=n·q·v·S中的v也是平均化的产物,是把电子的运动轨迹宏观化,同质化的产物。但不可否认的是,作为一条成立的公式,这里的v毫无疑问的是电流的属性。
因而,高中物理中从代表宏观的电流的安培力,借壳推出代表点电荷的洛伦兹力,而不考虑I=n·q·v·S中的v已经是电流的一个属性,不推证连立后得到的洛伦兹力中的v代表的已经从假想的电子运动理想模型,经电流变成了点电荷,那么是否算是一种有失偏颇的行为呢?
然而观察诸位物理教师讲课,讲到安培力时总会举一些导线(电流)弯弯曲曲的例子,然后告诉学生,电流的方向就是从初位置到末位置的有向线段。然后学生们就不经思考地,同往常一样视为真理一般地抄到笔记上。噫,上述对电流的描述不就是位移的定义吗?再想一想,要是一个物理量是标量,我们何必分析其运动情况呢,而为什么有时候我们就不用考虑其运动状态呢?那么一个“在外电路中,沿着导线的,方向是从正极到负极”的东西到底算不算运动了呢?到底是如何运动了呢?电流究竟是标量还是“矢量”呢?想必这是值得思考的问题。

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2015年