探析磁感应强度另一种定义的科学性

探析磁感应强度另一种定义的科学性

普通高中课程标准实验教科书《物理》（选修3-1）第三章第5节“磁场对运动电荷的作用力”在旁批中这样叙述：“也可以从运动电荷所受的洛伦兹力出发来定义磁感应强度，即。把与相比较，我们可以更深刻地认识磁：它只与运动的电荷有关，表现为定义式中反映运动的物理量v。静止电荷产生电场，并受库仑力作用；运动电荷除了仍会产生电场，还会产生磁场。它不仅会受到库仑力作用，还会受到洛伦兹力的作用。”这部分内容会给学生造成一定误导，在此提出商榷，愿与各位同仁共同探讨。我们先从公式F=Bqv的推导过程看磁感应强度的另一种定义式：导体中自由电荷定向移动形成了电流，电荷定向移动时所受洛伦兹力的合力表现为导体所受的安培力。设导体中每个自由电荷定向移动的速度为v、带电量为q，导体单位体积的自由电荷个数为n，导体的横截面积为S，则在时间t内通过导体横截面的自由电荷总个数N=nSvt，导体中的电流。把这段长度L=vt的导线垂直于磁场方向放在磁感应强度为B的匀强磁场中，导线所受的安培力，每个自由电荷沿导线做定向运动时所受垂直于定向运动方向的洛伦兹力。因此，当每个自由电荷运动方向与磁感应强度的方向垂直时，电荷所受的洛伦兹力F=Bqv，于是有。再看磁感应强度第一种定义式：在此定义式中IL是电流元，F是通电导体沿垂直磁场方向放置时电流元受到的磁场作用力，假设对应于这段电流元的微小通电时间是△t，则，I=nSvq，L=v△t，将F、I、L的表达式代入得到。通过以上两方面分析，充分说明磁感应强度的两种定义式和在本质上是相通的。上述公式B=F/qv是磁感应强度的定义式而不是决定式，其中B是外加磁场的磁感应强度，不是由运动电荷q产生的，与运动电荷受到的洛伦兹力F、带电量q及运动速度v均无关。尽管定义式中含有运动速度v，也不能表示“磁感应强度B只与运动电荷有关”。例如，当电荷在磁场中静止时(v=0)，磁场对电荷没有作用力；当运动电荷的速度方向与磁场方向平行时，磁场对运动电荷也没有作用力。但这两种情况下的磁感应强度B仍然存在。由此可见，课本旁批中的说法“把与相比较，我们可以更深刻地认识磁：它只与运动的电荷有关，表现为定义式中反映运动的物理量v”是错误的。“静止电荷产生电场，并受库仑力作用；运动电荷除了会产生电场，还会产生磁场。它不仅会受到库仑力作用，还会受到洛伦兹力的作用。”这种论述既不严密，也不科学。理由有二：其一，孤立的静止电荷能够产生电场，但如果不把它放在其他电场中，则它就不会受到库仑力作用，即孤立电荷自己产生的电场不可能对自己发生作用。其二，运动电荷的确会同时产生电场和磁场，同理，如果这个运动电荷是孤立的，又没有把它放在其他的电场或磁场之中，则它既不会受到库仑力作用，也不会受到洛伦兹力作用。鉴于以上分析，课本中的旁批内容可以这样叙述：“也可以从运动电荷所受的洛伦兹力出发来定义磁感应强度，即。把与相比较，我们可以更深刻地认识磁：磁感应强度是由磁场本身性质决定的，它的大小等于电荷在磁场中沿垂直于磁场方向运动时受到的洛伦兹力F与电荷量q跟运动速度v乘积之比，但并不由F、g、v决定。静止电荷产生电场，运动电荷除了仍会产生电场，