不同版本高中物理教材中左手定则的表述及分析，本文主要内容关键词为：定则论文,左手论文,高中物理论文,教材论文,版本论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
安培右手螺旋定则、弗莱明左手定则与弗莱明右手定则在大学物理中已统一为矢量叉积的方法来判断方向关系，国内外的中学物理主流教材都遵循循序渐进的原则，保留了安培与弗莱明的经验总结。笔者发现，各国对“判断通电导线在磁场中受力方向定则”的表述各不相同，国内影响最大的人教版高中物理教材在国外教材的基础上对左手定则进行了3次代表性的改进，本意是想越改越好，其结果成了一个值得商榷的左手定则。 一、国外教材2种代表性的表述 （1）在英国的《牛津图解中学物理》一书中将其命名为弗莱明左手定则，如图1所示：左手3根手指互相垂直，中指指向电流的方向、食指指向磁场的方向，这时大拇指所指的方向就是导体感受到的推力的方向。
英国高中物理教材要求不高，只介绍了磁场与电流方向垂直的特殊情况，这个定则的优点之一是手势本身的立体感很强，之二是使用时与大多数人写字的右手不冲突，不足之处是实际应用的时候手的动作不好拿捏。 （2）在美国的《物理原理与问题》一书中命名为第3类右手定则，表述如下：作用在导线上的力的方向取决于电流的方向，可能向下，如图2（a）所示，也可能向上，如图2（b）所示。法拉第发现，作用在导线上的力与磁场的方向和电流的方向均垂直。法拉第对通电导线受力的描述并不完善，因为这个力可以向上，也可以向下。磁场中通电导线受力的方向可以通过第3类右手定则确定，如图3所示，磁感应强度用B表示，它的方向用一系列箭头表示。为了应用右手定则，伸出你的右手，使拇指与其余4个手指垂直，并且都与手掌在一个平面内：让四指指向磁场方向，拇指指向电流方向，那么你手掌的朝向就是作用在通电导线上的力的方向。
美国的高中物理教材要求相对稍高一些，虽然定则本身的立体感不强并且占用了大多数人写字的右手，但实际应用起来立体感很强是它的一大优点，穿插介绍了法拉第的贡献是第二大优点，尽管定则描述的是磁场与电流方向垂直的特殊情况，对于磁场与电流既不平行又不垂直的情况，教师只要将定则中拇指与其余4个手指垂直这一条件去掉就完美地解决了问题，这是定则的第三大优点。 二、国内教材3次代表性的改进 （1）物理（甲种本）（第3册）在国外中学物理教材的基础上将其命名为左手定则，表述如下：安培力的方向（如图4所示）：伸开左手，使大拇指跟其余4个手指垂直，并且都跟手掌在一个平面内，让磁力线垂直进入手心，并使四指指向电流方向，这时手掌所在的平面跟磁力线和导线所在的平面垂直，拇指所指的方向就是通电导线在磁场中的受力方向。
我们再来看一下磁场方向不跟电流方向垂直的情形。把图5中的导线在竖直平面内转过一个角度，使磁场方向不再跟电流方向垂直，再进行观察。结果发现，导线受力的方向并没有改变，只是所受的力减小了。因此，我们仍可以用左手定则来判断力的方向，只是这时磁力线是倾斜进入手心的。
国内第一次最具代表性的表述吸取了国外教材的优点，采用了英国教材的左手系与美国教材的开掌式。鉴于我国中学物理教材要求较高以及人教版教材突出知识系统性的特点，首先介绍了磁场与电流方向垂直的特殊情况，接着通过实验得出磁场与电流方向不垂直的一般情况是磁力线应该倾斜进入手心。略显不足的是安培力垂直于磁力线和电流方向所在的平面这一重要条件在定则中的呈现不直观。 （2）全日制普通高中教材物理第2册（必修）表述如下：进一步的实验可以证明，安培力的方向既跟磁场方向垂直，又跟通电导线的方向垂直，也就是说，安培力的方向总是垂直于磁感线和通电导线所在的平面。 通电直导线所受安培力的方向，跟磁场方向、电流方向之间的关系可以用左手定则来判断：伸开左手，使拇指与四指在同一个平面内并跟4指垂直，让磁感线垂直穿入手心，使4指指向电流的方向，这时拇指所指的方向就是导线所受安培力的方向。 这次改进相对甲种本而言有四个变化，一是将磁力线改为磁感线；二是将安培力的方向既跟磁场方向垂直，又跟通电导线的方向垂直，提到定则之前给出结论，并在结论中增加了总是二字；三是去掉了磁场与电流方向不垂直的情况，保留了磁场与电流方向垂直的情况下是让磁感线垂直穿入手心；四是进行了细节处理，所有涉及磁场和电流方向的地方均与安培力大小公式F=BIL中字母顺序一致。这个定则内容本身没有问题，对于磁场与电流不垂直的情况要么将磁感应强度沿平行电流与垂直电流的方向正交分解来使用定则，这么处理的不足之处是将简单问题复杂化了；要么由教师补充甲种本的表述，这么处理的不足之处是对教师的要求过高。 （3）新课标教材物理选修3-1表述如下：通电导线在磁场中所受安培力的方向，与导线、磁感应强度的方向都垂直，它的指向可以用以下方法判定：伸开左手，使拇指与其余4个手指垂直，并且都与手掌在同一个平面内，让磁感线从掌心进入，并使四指指向电流的方向，这时拇指所指的方向就是通电导线在磁场中所受安培力的方向。这就是判定通电导线在磁场中受力方向的左手定则。 相对上一次改进而言，叙述更为简洁，第一处变化是把前两次安培力方向与磁场和电流方向所在平面垂直调整顺序并表述为安培力方向与导线、磁感应强度的方向都垂直；第二处大的变化是将磁感线垂直穿入手心中的垂直二字去掉了。这么一改，表面上提高了左手定则的适用范围，既能判断电流与磁场方向垂直的情况，又能判断电流与磁场方向不垂直的情况。但是，事实上直接应用该定则对电流与磁场方向垂直的特殊情况都不能判断了，由数学知识可知，磁感线从掌心以任意角度进入，四指指向电流方向均能满足定则要求，这时大拇指的方向是不唯一的，安培力F可以在如图6所示θ=180°范围内的任意一个方向。这个定则的不足之处是电流与磁场垂直的特殊情况，要用到定则之外的安培力垂直于电流和磁感线方向所在的平面这一重要条件，不垂直的情况就更不用说了。这是高中物理中少有的一个重要条件不在重要定则中的定则。
三、国内教材2种改建建议方案 纵观国内3次代表性的改进，文字表述一次比一次简洁，但是学生掌握好左手定则的难度一次比一次大，表述中值得商榷的地方一次比一次多。为了让重要条件完美而又直观的体现在重要定则中，现提出2种改进建议方案。 （1）为实现对原有使用者的兼容性，尽量保留教材的原汁原味。①知识呈现顺序为：先介绍导线和磁感线平行、垂直、不垂直的情况，然后给出具有通用性的定则内容。②定则修改为：伸开左手，让拇指与其余四指垂直，并且与手掌在同一个平面内，四指指向电流的方向，手掌以四指所指的方向为轴旋转，让磁感线穿入手心至大拇指与磁感线垂直，这时大拇指所指的方向就是通电导线所受安培力的方向。这就是判定通电导线在磁场中受力方向的弗莱明左手定则。③保留第3次改版中公式F=ILB中字母的顺序。首要目的是，让IL出现在前面，从而让弗莱明左手定则（导线通有电流受到安培力）与学生已经学过的安培右手螺旋定则（导线通有电流在周围产生磁场）在记忆上形成形式上的前后照应，一定程度上避免与导体切割磁感线产生感应电流的右手定则相混淆；其次，能为大学判断方向关系统一为右手系矢量叉积打好矢量顺序的记忆基础。 （2）为呼应人教版高中物理选修3-1科学漫步“有趣的右螺旋”中提到的左旋，在文字表述上做较大修改。①知识呈现顺序为：先介绍磁感线和导线平行、垂直、不垂直的情况，然后给出具有通用性的定则内容。②定则修改为（如图7所示）：伸出左手，让拇指与其余四个手指垂直，并且都与手掌在同一个平面内，当四指指向磁感应强度方向并沿小于180°的角度弯向电流的方向，这时拇指所指的方向就是导线所受安培力的方向。这就是判定通电导线在磁场中受力方向的弗莱明左手定则。③恢复第二次改版中公式F=BIL中字母的顺序。首要目的是，让字母B在公式的前面，便于学生记住定则内容是四指指向磁感应强度方向并沿小于180°的角度弯向电流方向的先后顺序；其次，在大学这个方法由左手变为右手同时矢量顺序交换的特例，为大学判断所有方向关系统一为右手系矢量叉积只要规定相应的矢量顺序提供感性认识。
物理的语言向来以科学、严谨著称，教材是学生获取权威知识最大的来源，建议人教版再版时将这个存在了多年的重要条件不在重要定则中的左手定则再次改进。
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