金屬探測儀探究

一、問題的提出

金屬探測儀(器)是一種主要用于對金屬材料進行探查、檢測的儀器，它被廣泛應用于教育、安保等行業和領域。

然而，在某些重大的考試當中，還是偶爾會出現一些性質較為惡劣的考試作弊事件。按理說，重大考試中一般都有“入門檢查”這一關，金屬探測儀都應當會派上用場，怎么偏偏還有“漏網之魚”呢?這是否意味著，金屬探測儀并不是十全十美的?

于是，我們決定組建一個專門的研究性學習小組，就金屬探測儀的功能、性能做一個較為全面的研究。

二、主要目標和思路

我們向學校申請到了一支專用于考場的手持式金屬探測儀，它的型號為MD-300型。從外觀上看，它的探測部分是一個直徑約14cm的環，與環相連的手持桿部分的長度是42cm。使用探測環對物品加以探測，一旦發現“目標”，它的鳴叫器會發出尖銳的鳴叫聲(或振動器發生振動)。

我們的研究項目主要指向是：金屬探測儀能對怎樣的物質和物體進行探測，在靈敏度方面有怎樣的差異。

基本思路則是：將探測環緩緩靠近被探測物，直到探測儀發出鳴叫，此時用尺測量出被探測物與探測環中心之間的距離。顯然，物體的可探測距離越遠則說明其越容易被探測到，即該實驗靈敏度越高。

三、過程與分析

本項目所需設備、藥品基本都取自學校化學實驗室、物理實驗室和微機房。為確保實驗的科學性，對每個平行實驗都做3次，測量數據取平均值，偏差較大的數據則舍去。

1 與元素形態的關系

銅和鐵都是常用金屬，首先對這兩種金屬的單質(塊狀)、固態化合物、溶液態化合物進行探測、對比，結果如表l、表2：

結果表明，金屬探測儀所能探測的“金屬”應僅僅指游離態(即單質)的金屬，而非廣義上的“金屬元素”，當金屬一旦轉化為化合物即無法探測出。

2 與金屬形狀的關系

金屬單質的外形各異，有細小粉末狀的、大顆粒狀的、片狀的、塊狀的等。

首先，取一些最常使用的金屬粉末，將其平鋪在紙片上——探測，結果如表3：

結果表明，金屬粉末并不能被探測到。我們也曾對一整瓶金屬粉末進行測試，即便如此，金屬探測儀都對其“視而不見”。

如果將這些粉末的顆粒加以放大又會有怎樣的結果呢?于是，我們取直徑約3mm的鋅粒和長度約3cm的普通鐵釘進行測試，此時金屬們都“乖乖現形”了!如表4：

接下來，再對薄膜狀金屬、片狀金屬、塊狀金屬進行探測。實驗對象為鋁箔、銀箔、鋅片、銅片、鐵塊、銅塊等。其中，銀箔來自于“銀鏡反應”，直接對內壁附著薄薄一層銀箔的試管進行了探測。結果表明，包括薄薄的銀箔在內，這些金屬再也無一“漏網”了。相關結果如表5：

需順便交代的是，金屬探測儀能透過試管的玻璃壁“覺察”到內壁上銀金屬的存在，這也說明了，探測金屬不一定需要金屬處于完全暴露的狀態。

正是基于這一點，金屬探測儀才能夠被廣泛地用于檢測一些比較隱蔽的違禁物品。

3 與金屬狀態的關系

物質還有固、液、氣等狀態的區別。根據實驗室現有條件，我們還很難對氣態金屬進行測試，所以重點研究的對象還是液態和固態金屬。

至于液態金屬，首選樣品是汞。由于汞有毒，為了安全起見，直接對水銀溫度計中處于封閉狀態的水銀球進行探測。此外，鈉是一種熔點很低的金屬，稍稍加熱即可熔化，它也是一種較為理想的實驗樣品。

于是，我們將一些鈉塊置于試管中(能覆蓋住試管底部)，首先對其固體樣品進行探測，且測量出具體的可探測距離，而后再將其進行加熱，至熔化后趁熱再測試。

這里需要說明的是，為控制變量，兩次實驗中所使用的金屬鈉質量不變，橫截面積相同(相當于試管底部的面積)。結果如表6：

注：探測距離為0，即指直到樣品進入探測環的中心位置才可被探測到。該實驗中，對汞的探測靈敏度之所以不高可能與金屬本身的性質有關，也可能與水銀球體積和質量太小有關。

另2組實驗則能充分表明，當金屬處于液態時探測靈敏度會降低。依此類推，金屬處于氣態時，探測靈敏度可能會進一步降低，甚至幾乎探測不到(粉末狀固體即已無法探測，何況氣態物質的粒子更小)。

此外，金屬的狀態還可以從純度等方面加以區分。例如，合金即為不純的金屬，對合金探測的效果又會怎樣呢?于是，我們取黃銅屑(大顆粒)進行了實驗，結果，這些顆粒狀合金無法被探測到。可見，對合金的探測靈敏度也是很低的。

4 與金屬質量的關系

仍取鋅粒進行研究。為控制變量，把不同質量的鋅粒分別裝入三只相同規格的試管中，向著試管的底部垂直探測，確保被探測物的橫截面積相同。結果如表7：

結論是，金屬質量越大，越易被探測到。

5 與金屬體積的關系

要探究與體積之間的關系，本應再設計實驗，但是對剛才的實驗從另一個角度審視：試管中金屬質量增大的同時，體積其實也相應變大了，所以，也可以認為，金屬的體積越大，越易被探測到。

6 與金屬面積的關系

以銅片為實驗材料，將銅片分別剪成4個直徑為1cm、2cm、4cm和8cm的圓形，以改變面積。

初步看來，金屬材料的面積越大，檢測的靈敏度越高。但是，我們又立即發現：銅片面積增大的同時，其質量、體積也同步增大了，這反而是佐證了前述兩個類別實驗的猜想與結論。

如何改進實驗?我們還是想到了鋅粒，首先確保所選取的鋅粒總量不變，再將這些鋅粒分別堆放在面積不等的圓當中。最初，圓的面積很小，鋅粒的堆放方式是相互重疊的，其后再逐步地平鋪開來。

結果表明，不同情形下的探測距離并沒有產生多少明顯變化，這的確證明了，金屬面積增大所導致的探測靈敏度增大在本質上還是金屬的量變多了。

7 與帶電情況的關系

定性方面，首先以某用電器的電源線為研究對象，對其在斷電和通電兩種狀態下進行測試。結果表明，無電流通過時，金屬導線無法被探測出，而通電狀態的導線則可以被探測到。當然，這個實驗也從另一個角度說明，細長形狀的金屬也不容易被探測到。

定量方面，需考慮：探測靈敏度與電流的強度之間，與電流的直流、交流方式之間有怎樣的關系。為此，將學生電源、滑動變阻器、電流表和一根細長銅導線進行串聯，通過滑動變阻器來調節導線中的電流強度。結果如下：

注：通過0.5A交流電時，只有將導線適當卷曲使之穿過探測圈后，才能被探測到。

該實驗能基本表明，導線中電流強度越高越容易被探測到，交流電的強度達到一定水平之后，探測靈敏度能明顯增大。

8 與輻射場的關系

我們知道，電流周圍存在電磁場，而變化的電流周圍還存在著電磁波，電流強度對探測結果的影響也許就和電磁輻射的強度有關。而當今，電磁輻射的污染問題日益受到重視，金屬探測儀能不能反映出不同電器的輻射強度呢?我們選擇了電腦和手機等使用頻率較高的輻射“大戶”進行了測試。

首先選擇兩款手機，探測結果如下：

結果表明，手機在通話狀態時被探測的靈敏度明顯增加，而其他狀態之間的差異不太大。此外，諾基亞手機在開機之后的探測靈敏度都要大于關機狀態時，可見手機一旦開機周圍就可能存在輻射。

我們再對電腦進行探測。電腦工作時主機和顯示器都可能存在輻射，而CRT(陰極射線管)顯示器和LCD(液晶)顯示器在輻射方面可能存在差異，故分別加以測試，結果如下：

不難看出，電腦主機和顯示器在工作時的探測靈敏度都要大于關機狀態時，可見電腦工作時周圍應該存在輻射。當然，從數據來看，它們之間的差異多數情形下并不大，只有老式的CRT顯示器比較特別，它的正面在工作狀態時輻射量明顯增大。

9 與探測方式的關系

以上實驗改變的變量都是樣品，而探測方式本身是否也會對探測結果造成影響呢?

取同樣的試樣，分別以快速縱向、慢速縱向、快速橫向、慢速橫向四種方式進行探測(注：“快速”僅是相對的，不是“飛速”)，結果如下表：

結果表明，在一般情形下，金屬探測儀的掃描方向和速度對實驗結果沒有太大的影響。但是，我們也注意到，對于一些本身被探測的靈敏不高的物品，如果掃描速度過快，也還是會出現檢測不出的情況。

四、結論與建議

1 結論

系列實驗使我們最終形成這樣的結論：在物質探測方面，金屬探測儀是一種僅能對金屬單質進行探測的儀器，它在實際運用中并不能做到萬無一失，需要考慮金屬的諸多性質和狀態，而且，探測的方式也在一定程度上對結果造成影響；此外，金屬探測儀也可用于輔助判斷電磁場的存在。

2 建議

應在對金屬探測儀功能、性能有所認識的基礎上去使用該設備，且應充分考慮到不同的場合，以提高實際探測的準確性、精確性。

例如，運用在考場探查作弊工具時，則應特別仔細、謹慎，有些作弊工具中所含金屬量本身很少，一旦掃描不仔細，或者探測儀離物品的距離較遠，都可能探測不到。

至于探測方式，則應以靠近被探測者身體且選擇較快速的橫向掃描方式為好。雖然橫向與縱向掃描之間差異不大，但是縱向掃描一次所能探測的僅是一個點，而橫向掃描一次則能探測到一個面。

當然，根據以上實驗，當金屬導線很細小，通訊工具處于非工作狀態時，其本身就很難或根本就探測不到，這提醒我們，不能完全依賴這一種工具和監控方式。首先，監考的過程要嚴格、細致，其次，場外最好再配備一些靈敏度更高的無線電波探測裝備，以便在考試過程中發現違規通訊行為。

再如，在生活中，手機等電器在工作狀態時輻射水平很高，我們借助金屬探測儀可以半定量地加以探測。為了身體健康，應盡量遠離輻射源，減少對電磁輻射的吸收。尤其是使用電腦時，CRT顯示器正前方的輻射量較大，使用一段時間后要注意適當休息。