06 借助物理图像解决物理试题
有了磁力线去直观的描述不同磁体的磁场分布情况，我们就很容易在头脑中建立直观的物理图像，也就能更好地去解决中学时候的相关的物理试题。这里我介绍一些方法和主要知识点，从磁力线的分布图，我们就能够读出很多的信息。我们可以看到磁力线是一个闭合的曲线，所以它没有始点也没有终点，这跟电力线是不同的。磁力线在磁体的外围，可以认为是从北极指向南极，在内部却是南极指向北极的。我们还可以从磁力线的疏密程度来判定磁场的大小，磁力线越密集的地方说明磁场越大。我们看到磁力线是一个曲线，所以曲线上任意一点的切线方向就应该是磁场的方向，也就是小磁针北极所指的方向。
曲线上任意一点的切线方向就应该是磁场的方向
这里定性地描述了磁场的分布，那磁感应强度就是定量地描述。磁场是一个矢量，具有大小和方向。有了这些清晰的物理图像，我们就很容易明白物理试题中有关匀强磁场的概念，首先它的磁场必须是均匀的分布。再看一下磁场的方向，我们可以把磁场形象的看成是从北极射向南极的弓箭，当这个弓箭射向我们的时候，主要看到点的形状，所以点表示磁场的方向是指向我们。当弓箭射向离背我们的方向的时候，看到的是箭尾，也就是用X形来表示磁场的方向是背离我们的。
磁感应强度是一个矢量，所以我们在计算磁场叠加问题的时候，如果两个磁场并不在一条直线上，我们就要想到用平行四边形法则。同样的道理，我们通过磁粉的分布就可以很清楚地理解同极相斥、异极相吸，两个磁极之间磁力线的分布，从而也就能更好地去解决小磁针的指向问题以及指南针的指南问题。
磁粉分布图
现在我们主要介绍一下安培右手螺旋定则，从这个磁粉分布图中我们可以看到通电直导线产生的是圆形的磁场，而通电的螺线管产生的是类似于条形磁铁的磁场，我们可以简单地用右手定则来判定。这里有两个物理量，一个是磁场，一个是电流，最关键的问题就是，你的大拇指和你的四指究竟哪个指向磁场哪个指向电流方向。其实我们只要记住，大拇指是直的，它所指向的物理量一定是一个相对直的物理量，比如说通电直导线在这里是相对直的，所以大拇指的方向就是电流的方向，而四指就是磁场的方向，而对于通电的螺线管来说，产生的磁场在内部是一个直的分布，所以我们大拇指的方向这个时候就指向了磁场的方向，四指所指向的就是电流的方向。这样我们就容易解决通电导线所产生的磁场分布问题。
安培右手螺旋定则
安培还研究了通电导线在磁场中的受力情况，可以用左手定则来判定，但是左手定则并不是安培提出的，而是英国的弗莱明。他为了帮助同学们记忆，提出了一个简单的方法，我们要记住在考虑磁场中的受力情况时，一定要用到左手，而受力也一定是大拇指的方向。我们可以把磁场方向认为是北极射向南极的弓箭，我们要用手掌去迎接它，这样磁力线的方向就要穿透我们的手掌，四指就自然指向了电流的方向，利用这个方法就很容易地去解决导线在磁场中的受力问题。明白了左手定则之后，我们就很容易理解运动的带电粒子在磁场中的受力和运动情况。
左手定则
带电粒子在磁场中受到的力称为洛伦兹力，这是由荷兰的物理学家洛伦兹提出的。通电导线所受的安培力实际上就是导体中大量粒子所受到洛伦兹力的宏观表现。如果我们把电荷和电流的关系带入这个公式中，我们就可以很容易地在安培力和洛伦兹力之间互相推导。同样要使用左手定则，让磁力线的方向穿过我们的手掌，要注意四指这时候指的是带正电粒子的运动方向，如果我们的带电粒子是电子这样的负电，我们的四指指向一定是它运动方向的反方向，从而去判定它的受力问题。我们从左手定则能够发现带电粒子所受的洛伦兹力始终是跟它的运动方向是垂直的，也就是说洛伦兹力它只提供向心力，而不会改变运动速度的大小，不会对带电粒子做功。所以理想情况下，带电粒子做的是一个匀速圆周运动，我们再结合带电粒子的受力的公式以及它运动的公式，就很容易地去解决中学阶段非常典型的磁场中带电粒子的受力和运动问题。
发表于 2020-5-10 16:40
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