對“磁感應強度”的一點想法

鐘云杰

摘 要： “磁感應強度”是電磁學重要并且抽象的概念。教材在展開此概念的同時引用了類比法和比值定義法，但由于磁單極子是否存在影響了磁感應強度概念的細化，因此在概念的建立上未免欠妥。本文從建立磁感應強度大小和方向兩個方面談談對教材編排的理解，并提出相關的改進建議。

關鍵詞： 磁感應強度 類比法 比值定義法

一、引言

“磁感應強度”這一節課是典型的概念課，這一概念非常抽象。怎樣上這一節課，讓學生理解并且掌握這個概念，需要我們仔細斟酌。

課本教材為我們提供了一個上課的思路，相關研究指出人教版是眾多教材中最容易讓學生理解的，然而眾口難調，持反對意見的也很多，所以我們在參考教材的時候要注意思考，教材的思路是不是完全正確，說法是不是完全合理。下面筆者談談對教材編排的看法和理解，并提出一些建議。

二、對教材的理解和建議

1.類比法建立磁場強度方向

高中生的抽象邏輯思維仍然比較薄弱，學生對于抽象概念的理解需要找到類似的相通的概念，利用已經了解的事物類比未知的事物也是物理學習的重要方法。課本的編排對于學生的發展有一定的指導意義。教材還指出研究電場是利用檢驗電荷的受力情況確定電場強度的，研究磁場可以效仿，如圖1：

（ ）荷在（ ）場中會受到（ ）場力的作用，通過不同性質的（ ）荷受到不同方向的（）場力可以反映場的特性。

這種類比法可以很好地定義磁場的方向。在電場中，電場的方向規定為與正電荷的受力方向相同，而在磁場中，磁場的方向也就可以規定為與小磁針N極的受力方向相同。

2.類比法描述磁場的強弱曲折重重

類比法可以很好地解決磁場的方向，然而本節課的重點和難點都是磁場的強弱，類比法是不是能繼續應用呢？答案其實是肯定的，但是教材卻以“N極不能單獨存在”草草了事，其實在2014年，科學家在自旋冰材料中發現磁單極子的有力證據，這個消息對于教材的修改和編排提供了有力證據。

筆者認為教材其實可以適當加一小段物理學史，類比電荷在電場中受力的研究方法，人們利用磁荷在磁場中的受力情況研究磁場，然而當時的人們未能在實驗中找到磁單極子，所以磁荷研究的方法僅停留在理論層次，描述磁場強弱的物理量也就不叫磁場強度。有了這樣一小段插曲，既能提高學生的質疑精神，又滿足了學生的好奇心，從而對物理學習有一定的積極作用。

事實上，為了彌補這樣的缺憾，教材引入了電流元的概念，在類比法的大方向上，拋開了無法在中學物理研究的磁荷，用電流元代替。教材在編寫過程中有很好的鋪墊，在選修3-1第四章磁場第一節已經提到：自奧斯特實驗之后，安培等人又做了很多實驗研究。他們發現，不僅通電導線對磁體有作用力，磁體對通電導線也有作用力。例如，把一段直導線懸掛在蹄形磁體兩極間，通以電流，導線就會移動。

這樣就自然而然讓正在困惑的學生想到，沒有了磁荷，可以有通電導線，由于不能影響原磁場，應該需要很小的一段電流，即電流元，采用這種理想化的模型，降低學生思維障礙的臺階，使學生仍然處于類比法的整體思路中，符合“最近發展區”的教育理論。這樣得出描述磁場強弱的物理量叫磁感應強度也就合情合理，不會覺得突兀。

3.比值定義法建立磁感應強度的概念

比值定義法，是用兩個或多個物理量的比值定義物理概念的方法，其核心意義在比較，選取相同的標準，把彼此有一定聯系的事物進行對照，從而確定其相同或相異之點。

教材以一段演示實驗進行這種比較的思路：利用控制變量法使得在均勻磁場中分別保持電流強度和導線長度不變，而改變導線長度和電流強度，從而分析受力情況與導線長度或電流強度的關系。這種比較的思路完全正確，然而教材的編寫是F=ILB，不得不使我們想到，在處理電場時，我們曾經有這樣的一個概念，同一電荷在強電場中的受力比弱電場的受力大，所以，可以用同一電荷在不同電場或電場中的不同位置的受力大小推知電場的強弱，可是在磁場中是否也應該這樣呢？

電流元的概念沒法在中學物理中量化，所以只能將電流元IL當做單位長度的1安培電流的受力情況來處理，那么在不同磁場中，同樣的IL在不同磁場中的受力是什么情況呢？顯然，教材并沒有提及要做這樣的實驗，只說“在不同磁場中，B值是不相同的，即使是同樣的I和L，導線的受力也是不同的”。而這恰恰是不夠的，因為我們不知道這些物理量是正比還是反比關系，所以我們需要換更強的磁體進行這樣的實驗才可以定性說明，然而怎樣叫更強？在我們沒有磁感應強度這樣的計算式時，該如何量化磁場的強弱？所以用F=IL存在這樣一個邏輯問題。筆者建議直接采用分析F/IL值，比較不同磁場中相同的IL受力情況，并定義這個比值為磁場的強弱，即磁感應強度，而不是機械地進行數學表達式的轉變。

4.對本節實驗的一些想法

教材提到的實驗，如圖2，是利用水平懸掛在磁體間的直導線的擺動幅度代替磁場力，

這種說法無可厚非，因為直導線受到水平方向的磁場力，明顯是力越大，擺動幅度越大。那么能否計算出這個力的大小呢？如果能計算是不是也對式子F/IL是個不變的值有更好的作用呢？其實這不就是一個簡單的懸掛重物受到水平方向力的問題嗎？先畫出它的模型圖，畫出它的側視圖，如圖3。分別測出繩長l、直導線受力穩定后距離懸點的高度h及直導線的質量（不同長度的直導線質量不同），通過受力分析和平行四邊形定則可以求出磁場力

確定了磁場力的求法，那么就可以代入數據定量求出磁場力的大小，這樣就可以比較不同的電流或者不同的導線長度在磁場中的受力F與IL的比值是否相同，相同的話則更有力地說明了式子F/IL的值可以反映磁場本身的性質，表征磁場的強弱。

三、結語

如果沒有教材，教師摸黑探索可能需要碰壁無數次，而有了教材的引領就可以少走很多彎路。教師在教學過程中加深對教材的分析和研究，合理處理教材內容，真正實現“教教科書”向“用教科書教”的教材功能觀的轉變，不僅提高教師個人專業水平，而且在一定程度上對學生學習的熱情起到一定的積極作用，增長學生見識，真正落實新課程理念。

參考文獻：

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