洛伦兹力用哪只手
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2023年2月16日发(作者：会展产业)第30卷 第11期
2001年11月
中学物理教学参考
PhysicsTeachinginMiddleSchool
Vol.30 No.11
Nov.2001
●教材教法●
右手螺旋定则的应用
刘兵兵
(
江苏省如东第一职业高级中学 226400
)
提及右手螺旋定则,大家自然会想到用右
手螺旋定则判断电流磁场的方向,其实,右手
螺旋定则的应用不仅限于此,本文将介绍右手
螺旋定则在高中物理教学中的几种具体应用,
以供各位读者参考.
一、右手螺旋定则
物理量有标量与矢量之分,而两矢量的乘
积运算又有两种形式:标积
(
点乘
)
和矢积
(
叉
图1
乘
)
.假设有三个矢量A、
B
、
C
,若
C
=
A
×
B
,则
A
、
B
、
C
三个矢量的方向关系
就可以根据右手螺旋定则
来确定:右手四指由矢量
A的方向,并沿小于180°
角向矢量
B
的方向弯曲
(环绕),则伸直的大拇指所指的方向就是矢量
C的方向,如图1所示.
二、右手螺旋定则在高中物理中的应用
11力矩的方向
当作用在物体上的力使物体发生定轴转
动时,可以用力矩来表示力对物体的转动效
果.高中教材中对力矩的方向是这样规定的:
面向物体观察,使物体逆时针转动的力矩为
正,使物体顺时针转动的力矩为负.在教学中,
教师也通常将力矩分为顺时针与逆时针两种,
然而,顺、逆时针只是力矩对物体所产生的转
动效果,力矩本身的方向并非为顺、逆时针.
如图2(
a
)所示,力
F1、
F2作用在杠杆上,
杆的转动轴O垂直纸面,L1、L2分别是力F1、
F对转轴的力臂根据力矩的定义M=L×F,
可以看出力臂L、力F和力矩M的方向组成了
右手螺旋系统,由右手螺旋定则可以分别确定
力矩M1、M2的方向:力F1对转轴产生的力矩
M1使杠杆逆时针转动,右手四指由L1沿小于
180°角转向F1,则伸直的大拇指所指的方向就
是力矩M1的方向,即力矩M1垂直纸面沿z轴
正方向,M1为正值,如图2
(
b
)
所示.
力
F2产生的力矩
M2使杠杆顺时针转动,
右手四指由
L2转向
F2,
M2垂直纸面沿
z
轴负
方向,M2为负值,如图2
(
c
)
所示.
图2
21角速度的方向
角速度是用来描述物体转动快慢的物理
量,教材中没有专门提及角速度的方向,课本
和教学参考书讲述角速度时,都是以图3所示
来表示的.
由于高中教学中不要求教师具体介绍角
速度
Ξ
的方向,因此学生往往会由图3而产生
图3
误解,认为角速度
Ξ
的方向就是
物体的转动方向
(
顺时针或逆时
针
)
.其实,角速度Ξ与转动半径r
及线速度v之间的关系满足v=Ξ
×
r
,三者之间也组成右手螺旋系
统.由于线速度
v
沿圆周的切线方
向,根据右手螺旋定则,角速度Ξ的方向沿转
动轴方向
在实际确定Ξ的方向时,还可以如下判
2.
.
71
断:右手四指沿物体转动方向,则伸直的大拇
指的指向即为角速度方向,如图4所示.
图4
31电流磁场的方向
我们知道无论是直线电流,还是环形电
流、通电螺线管,其磁场方向都可以用右手螺
图5
旋定则来判断.教材中介绍此定
则是由实验得出的,此处我们再
以环形电流磁场为例,根据电流
磁场的计算公式作一讨论.如图5
所示,电流I以顺时针方向通过
环形导线,在距离电流元Idl为r
的轴线处的磁感强度可由毕奥2萨伐尔定律求
出,即
dB=
Λ
0
4Π
Idl×r
r3,
由上式可看出,Idl、r与dB组成右手螺旋系
统,右手四指由
Idl
向
r
方向环绕,伸直的大拇
指垂直纸面向里,环形电流上各电流元在其轴
线上的磁感强度方向均向里,此即我们熟悉的
安培定则.
41洛伦兹力的方向
带电粒子在磁场中运动时受到的洛伦兹
力,我们都习惯于用左手定则加以判断.如图6
图6
所示,一带正电的粒子q以速
度v垂直于磁场运动,根据洛
伦兹力的计算式f=qv×B,可
知,v、B和f组成右手螺旋系
统.因此根据右手螺旋定则,右
手四指由
v
向
B
方向环绕,伸
直的大拇指方向竖直向上,即为带电粒子所受
洛伦兹力的方向,所得结果与用左手定则判断
是一致的.通电导线在磁场中所受的安培力,
其实质是大量运动电荷所受洛伦兹力的宏观
表现,因此也可以用右手螺旋定则来判断
51感应电动势的方向
电磁感应现象中产生的感应电动势虽然
是标量,但我们常论及其方向,对于导体切割
磁感线运动而产生的感应电动势,教学中通常
用右手定则来判断其方向.
如图7所示,导体棒CD在磁场中向右运
动时,感应电动势为
E=∫D
C
(
v×B
)
�dl,
它实际上是由随导体棒一起运动的电荷所受
的洛伦兹力引起的,感应电动势的方向即为单
图7
位正电荷所受洛伦
兹力的方向,即
v
×
B
的方向,根据右手螺
旋定则,右手四指由
v向B环绕,可得出
正电荷所受洛伦兹力
沿
CD
棒向上,导体棒中感应电动势也是由
C
指向
D
,在此,导体棒
CD
相当一个电源,洛伦
兹力即为非静电力.
右手螺旋定则作为矢量叉乘时的通用法
则,只要我们正确理解并掌握各物理量的矢量
性及相间的运算关系,就可以准确、方便地确
定各物理矢量的方向,如判断洛伦兹力、安培
力、感应电动势的方向时,只要将通电导线中
的电流、导体棒的移动等效于电荷的运动,然
后右手四指由正电荷运动速度v向磁场B环
绕,即可得到洛伦兹力f、安培力F、感应电动
势E的方向,而无需再用容易混淆的左手、右
手定则了.
同时右手螺旋定则还有助于我们纠正对
某些物理量方向的错误理解,如力矩、角速度
方向的轴向性,而非通常认为的沿物体的转动
方向.
参考文献
1 漆安慎,杜婵英.力学基础.北京:高等教育出版社,
1982
2 赵凯华,陈熙谋.电磁学.北京:高等教育出版社,
5
(收稿日期6)
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198
:2001-0-18
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