洛伦兹力的本质探究及应用文献综述

洛伦兹力的本质探究及应用文献综述

摘要:洛伦兹力是电磁学的重要知识之一，是理综物理题成败的主要原因之一——洛伦兹力的本质因素，是电磁学中需要亟待解决的问题，做好有关洛伦兹力的题是实现物理大题高分的重要途径。自从19世纪（洛伦兹）以来,中国的学术界经历了数次研究，改正，成书洛伦兹力的浪潮,在取得成绩的同时,也暴露了许多问题。本文从洛伦兹力的研究现状、问题及发展趋势入手,对国内外学者的观点进行了综述,希望能够引起学界的重视并推动实践的发展。关键字：洛伦兹力；电场力；安培力；带电粒子；电场；运动规律

胡志凌在《小议洛伦兹力公式的推导方法》一书中说带电粒子的运动是质点动力学在电磁学中的重要体现,是高考考查的重点和难点,是联系微观和宏观、经典物理和近代物理的桥梁。洛伦兹力也是带电粒子在磁场中运动的驱动力，是研究带电粒子运动规律的基础,研究洛伦兹力，对于理解带电粒子在磁场中的运动具有重要作用[2]。《小议洛伦兹力公式的推导方法》中定义的洛伦兹文化很准确，我主要运用洛伦兹力的本质文化。

陈雅在《关于洛伦兹力的三点讨论》文章中提到在电磁学中，洛伦兹力F为磁场对运动电荷Q的作用力,其矢量式F=qVB.(1)式中V是电荷的运动速度。在中学物理中，一般考虑电荷的运动速度与磁场方向垂直,不考虑电荷的运动速度与磁场方向平行的情况。所以上式变为F=qV×B。(2)洛伦兹力只改变电荷速度V的方向，而不改变V的数值，即总体上永远不会对运动电荷做功。洛伦兹力的这个特性无论在理论上或实践上都具有非常重要的意义。但是,围绕洛伦兹力，在教学中有一些容易引起混淆不清的问题.例如，凡运动速度都是相对的，那么公式(1)、(2)中电荷q的运动速度u是相对于谁的呢?是磁场还是观察者?例如，运动电荷所受的洛伦兹力和通电导线所受的安培力究竟是怎样的关系[3]?此文诠释得比较全面，所以本文从另一个方面解释洛伦兹力总体不做功的原因，通过对其本质的研究提出更全面理解洛伦兹力不做功的知识点。

贠红燕在《怎样正确理解洛仑兹力》一文中提到洛仑兹力是磁场对运动电荷的力，属于场力性质, 是宇宙中万有引力、电磁力、强力、弱力这四种基本作用力中的电磁力, 它是由磁场传递作用的。洛仑兹力是一个矢量规律,F=qVBSinθ是它的标量式, 角度的一个重要意义就是反应了各矢量间方向的关系, 式中θ是两矢量间的角度, Sinθ就反应了力的大小与两矢量方向间的具体关系。现行农业中专教材中给出的是当θ=90°时，F=qVB 为最大值的式子。为了深刻理解洛仑兹力, 首先将它与安培力, 电场力作一下比较[4]。本文引用到了比较知识点的内容。

刘文芳，孙启美在《安培力与洛伦兹力的关系》的文章中指出我们知道安培力是磁场对载流导体的作用力，洛伦兹力是磁场对运动电荷的作用力。在普通物理教学中要真正讲清这两个力的关系必须把安培力与洛伦兹力的内在联系、转化过程的微观本质及定性关系揭示出来[1]。

首先假设导体是非铁磁性材料。以金属的经典电子模型为基础忽略金属中电子与晶格的相互作用认为金属中的电子是完全自由的。则磁场作用于传导电子上的洛伦兹力通过霍耳电场的作用转化为磁场对载流导体的安培力[1]。此文是通过分两种条件下讨论这两个力之间的关系来书写。

徐高本在《求解带电粒子在匀强电场中运动问题“三法”》中讲述到学生要求解带电

粒子在匀强电场中运动问题，最简便的方法是从下面的三个方法入手，1 运动分解法：当一个带电体同时受到几个恒力的作用做曲线运动时, 求解的思路是: 首先对带电粒子受力情

况和运动情况进行分析, 再由牛顿运动定律和匀变速运动公式求解。2 类比与等效法：电场力和重力都是恒力, 在电场力作用下的运动可与重力作用下的运动类比。例如, 垂直射入平行板电场中的带电粒子的运动可类比于平抛, 带电单摆在竖直方向的匀强电场中的运动可

等效于重力场强度 g 值的变化等。3 功能关系法：从功能观点出发分析带电粒子的运动问题时, 在对带电粒子受力情况和运动情况进行分析的基础上, 再考虑恰当的规律解题。如果选用动能定理, 要分清有几个力做功, 以及初、末状态的动能; 如果选用能量守恒定律解题, 要分清有多少种形式的能参与转化, 哪种能量增加, 哪种能量减少, 并注意电场力做功与

路径无关[5]。

王栋、谭敏、王玮在《从洛伦兹力做功看“分”与“合”的思想》一文中说到在几年的大学物理教学过程中，经常有学生甚至其他专业的老师问起：大学物理学习了究竟有什么用？我认为这个问题不能用简单的一句话来回答，学习大学物理的意义不仅仅在于掌握基本的物理理论和物理知识，更在于学习的过程。因为很多物理问题中，体现出了不同的科学思想方法，通过对问题的分析，可以培养人的思维方式，锻炼人的思维能力。这样的说法似乎过于缥缈，我们从动生电动势中洛伦兹力做功的例子来分析“分”与“合”的辩证统一思想，这种思想在力学里面的体现尤为突出。在讲到动生电动势时，必然要分析动生电动势产生的原因，并且从电动势的定义推导出动生电动势的求解公式。电动势的定义为：“把单位正电荷从负极通过电源内部移到正极的过程中，非静电力所做的功。”在动生电动势中，充当这个“非静电力”的是洛伦兹力，这一点学生并不难理解。但很多大学物理教材中，在这一节的最后都不忘提醒读者：“洛伦兹力在任何情况下都不做功。”读者在看到这句话时仔细一想，是啊，洛伦兹力总是垂直于带电粒子的运动方向，因此总是不做功。然而根据电动势的定义，洛伦兹力却是做功了，这岂不是自相矛盾？所以本文针对这一问题进行分析。阐述了动生电动势中洛伦兹力分力与合力做功的过程,并分析了其中蕴含的"分"与"合"的辩证统一思想[6]。以此为例说明大学物理的学习不光在于知识本身,更在于学习的过程。

方林在对《洛伦兹力做功微探》一文观点的商榷中提出在以相对磁场运动的参考系中洛伦兹力会做功的观点，值得推敲。笔者有几点不同的想法首先，“以磁场为参考系”的说法值得商榷。众所周知，电磁场是一种能量的表现形式，是电磁作用的媒介物，具有能量和动量，是物质存在的一种形式，但它们不能作为普通物体运动状态的对比参考系；这是物理学的一个基本观点，也是场与实物的区别之一。因为场一旦被场源（磁体或载流线圈）激发，就是一种独立于场源的客观实体，不论对什么参考系，它在真空中总是以光速运动，场源的运动与场的运动不是一回事，故不能说成是“以磁场为参考系”[7]。

其次，文中将带电小球与导线中电子做类比；指出在电磁感应实验中，不管导线是否运动，只要导线切割磁感线，闭合电路中总能产生感应电流。从而进一步得出结论：在本题中由于磁场运动，带电小球必受垂直向上的洛伦兹力，故小球能离开绝缘直管。实际上，磁场的源与闭合导线回路的相对运动所产生的感应电动势包括两种原因不同的感应电动势。场源静止时，运动导线回路中的感应电动势属于动生电动势；场源运动导致磁场变化时，静止回路中产生的感应电动势属于感生电动势。这里的静止和运动都是相对观察者或实验室参考系而言的。根据运动的相对性，抹煞这里静止和运动的区别是不妥当的。因而，所谓“运动的场源产生的磁场对静止导线中的电荷有洛伦兹力作用”、“静止”的磁场在运动导体中引起感应电场之类的说法都是不正确的。这就是说，对于一个给定的参考系，动生电动势和感生电动势是两种独立的现象。同样，把回路相对实验室参考

系或场源的运动说成是回路相对磁场的运动，或者把场源相对实验室参考系的运动说成是场相对导线路的运动都是不妥当的。因而所谓“磁场的源运动时，磁感线也跟着运动，因而引