探究影響螺線管磁性強弱因素的實驗研究

高革利

【摘要】初中物理教學中關于電磁學的學習內容非常簡單，但不可忽視的是電磁學在當今科技進步中發揮的作用，電流周圍存在磁場，如何將這個磁場加強？一種方法是將導線做成螺線管。但現在在初中物理教學中，大多數關于螺線管磁性強弱的實驗室表征是通過磁體本身的具有吸引鐵、鈷、鎳等的性質，即用螺線管去吸引大頭針或曲別針，通過它們的個數來表征螺線管的磁性強弱。但在實驗室中很多時候該實驗的現象并不是很明顯，本文則是從另一個角度出發，通過磁極間的相互吸引或排斥的效果來表征螺線管的磁性強弱。

【關鍵詞】螺線管 磁性 磁極間的相互作用

【中圖分類號】G633.7 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2018）14-0242-02

1820年丹麥科學家奧斯特在一次偶然的情況下發現了，在接通電流時，導線附近的小磁針忽然轉動了一下，裝置如圖1a，這一轉動說明了電流的周圍存在磁場。安培利用右手定則總結出了通電直導線周圍的磁場方向和電流方向的關系如圖1b。也是這一轉揭開了電磁學領域的序幕。為了將通電直導線周圍的磁場加強，采用了方法——增大電流，但由于條件限制，電流不能一直增大。隨著進一步的研究，人們發現將直導線做成線圈如圖2，根據安培定則1線圈的磁場是各段通電導線磁場的疊加，因此磁場得到了增強，這就是螺線管，因此改變線圈匝數可改變螺線管周圍的磁場強弱。如果將螺線管中插入軟鐵棒，螺線管的磁性會進一步加強，插入軟鐵棒的螺線管即為電磁鐵，在當今社會中的很多領域都擔任著重要角色。

物理是一門以實驗為基礎的學科，脫離實驗只是將知識傳授給學生就偏離了物理學習的本質。我們要傳授給學生們的應該是研究的方法和技能，即如何根據生活現象提出問題、分析問題、涉及實驗解決問題的能力。因此，在課堂上一定要設計足以說明問題的演示或學生實驗為知識載體。對于“研就影響螺線管磁性強弱因素”的實驗中，自變量顯然有電流大小、線圈匝數、是否有鐵芯，很容易實現改變和控制，但因變量“螺線管磁性強弱”的表征大多數實驗利用了磁體具有吸引鐵、鈷、鎳等物質的性質，即通過吸引大頭針或曲別針的個數來表征，如圖3裝置，調節滑動變阻器通過觀察某一螺線管能吸引大頭針的數目來研究螺線管磁性強弱與電流大小的關系；通過對比兩螺線管下方能大頭針數目研究螺線管磁性與線圈匝數的關系；保持電流不變，對比同一螺線管加鐵芯前后能吸引大頭針的數目來研究螺線管磁性強弱與是否有鐵芯的關系。但在實驗室中很多時候該實驗的現象并不是很明顯，具體為一方面大頭針或曲別針個數變化不是十分明顯，另一方面大頭針或曲別針作為演示實驗的話可視性效果不好。

實驗部分：為了解決上述兩個問題，我在研究加鐵芯是否增強螺線管磁性的實驗中，從磁體磁極間的相互作用，即同名磁極相互排斥、異名磁極相互吸引的角度出發，通過螺線管的磁極和磁體磁極的相互吸引或排斥來表征因變量螺線管的磁性強弱。

設計1：實驗器材：螺線管、鐵釘、電源、導線、開關、大號磁針

實驗步驟和實驗現象：①按照圖4組裝電路；②閉合開關，將沒有插入鐵釘的螺線管至于距離磁針的N極d處，發現二者緩慢吸引；③斷開開關，將鐵釘插入螺線管，其它裝置不變，閉合開關再次將螺線管放置與距離磁針N極d處，發現二者的吸引作用比上一次加大。分析：吸引加快說明了螺線管的磁性增強，但這個結論科學嗎？出現這樣的想象是因為螺線管磁性增強根據異名磁極相互吸引的效果，還是由于在第一次實驗的基礎上增加了磁針和鐵釘間的吸引力的效果呢？為了能得到有力的證據來證明這一點，我將上述實驗中電源正負極對調再重復一次，得到了沒有插入鐵芯時螺線管和磁針緩慢排斥，插入鐵芯后二者排斥作用增強。如果第一組實驗中吸引作用的增強是因為磁針對鐵釘的吸引作用，則在第二組實驗中加鐵芯后排斥作用應減弱。因此通過同名磁極相互排斥，充分得到了加鐵芯能使螺線管磁性增強的結論。該實驗比較直觀，從另一個角度引發學生思考，拓展對已有知識的整合，審辨式思維能力、分析問題的能力、設計實驗的能力得到提高。但本實驗對于用“緩慢”“快速”吸引或排斥的效果表征螺線管磁性強弱對于數據的準確描述方面存在不足。

設計2：實驗器材：大號磁針、細線、螺線管、鐵釘、電源、開關，表面貼有白紙豎放平板；實驗步驟：①將大磁針用細線系住中間，懸吊于書房平板所在平面，斷開開關如圖5組裝實驗裝置，并在平板白紙上描出細線軌跡；②閉合開關，穩定后描出此時細線軌跡，并測出偏離豎直方向的夾角θ1記錄，斷開開關；③將鐵釘插入螺線管，其余裝置不動，閉合開關，描出此時細線軌跡，并測量出偏離豎直方向的夾角θ2記錄，斷開開關。

實驗現象和結論：磁針和螺線管相互排斥，且發現θ2>θ1，說明螺線管加鐵芯后磁性得到了增強。實驗中這種表征螺線管磁性強弱的方法不僅將數據的穩定性和精確度提高了，而且也將數據的可視化程度擴大了，這樣的表征也依然可用于研究螺線管磁性強弱與電流大小、線圈匝數多少的關系實驗中。這種轉換表征還可以為高中學生不在同一直線上的三力合成與分解的計算提供模型。

總結：磁性強弱可以從磁體本身具有吸引鐵、鈷、鎳等物質的性質的角度進行轉換表征，也可從磁極間相互作用——同名磁極相互排斥、異名磁極相互吸引的角度進行轉換研究。本實驗則是從第二個角度進行轉換將數據和現象優化。

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