空間磁感線分布演示實(shí)驗(yàn)裝置的制作嘗試

吳開拓

摘 要：以空間磁感線分布演示實(shí)驗(yàn)為對(duì)象，發(fā)現(xiàn)了現(xiàn)行演示實(shí)驗(yàn)均存在空間磁感線分布的演示效果問題。進(jìn)行了相關(guān)教具的改進(jìn)，完成教具制作，形成較好的演示效果。補(bǔ)充了中學(xué)物理磁感線分布演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)的教學(xué)方式。

關(guān)鍵詞：演示實(shí)驗(yàn); 空間磁場(chǎng)分布; 自制教具

中圖分類號(hào)：G633.7 ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? 文章編號(hào)：1006-3315（2020）2-011-002

一、研究背景

磁現(xiàn)象是中學(xué)物理探究的基礎(chǔ)問題之一，各省市不同版本的教材所設(shè)置的相關(guān)實(shí)驗(yàn)均存在不足，無法展示空間磁場(chǎng)分布。初中階段的學(xué)生對(duì)磁現(xiàn)象僅僅停留在磁能吸鐵這些。磁感線是磁現(xiàn)象知識(shí)的基礎(chǔ)，相關(guān)知識(shí)在物理知識(shí)體系中具有重要地位，但教材內(nèi)容長(zhǎng)期缺少變革，尤其是空間磁場(chǎng)安排上較為匱乏。學(xué)生在此年齡階段正由具體形象思維向抽象邏輯思維過度的重要階段，其抽象邏輯思維迅速發(fā)展，但仍舊不夠成熟，仍然需要一定的具體形象來支撐。本文提供了一種展示磁感線的自制教具的制作思路，并嘗試制作。

二、教材分析

1.《蘇教版初中物理》現(xiàn)狀分析

先通過活動(dòng)讓學(xué)生將小磁針放在條形磁體周圍，再根據(jù)指針方向來指示磁場(chǎng)方向。再通過兩種實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)一步說明。

兩種方法能將磁場(chǎng)大致具象化，大致表現(xiàn)磁感線的分布，并根據(jù)鐵屑的疏密度來大致描述磁場(chǎng)強(qiáng)弱的分布，但無法展示磁場(chǎng)的空間分布。

2.《浙教版初中科學(xué)》現(xiàn)狀分析

采用了小磁針法和鐵屑法，通過在磁體周圍鋪上鐵粉，輕輕敲一下玻璃板，鐵粉逐漸改變分布，顯示大致的磁場(chǎng)分布。不同于《蘇教版》，《浙教版》在小磁針法時(shí)，將多個(gè)磁針同時(shí)擺在磁體周圍，而非先后順序;在鐵屑法時(shí)并沒有用小磁針進(jìn)行驗(yàn)證，但課本配圖中補(bǔ)充了馬蹄形磁鐵的磁場(chǎng)分布狀況。

3.《人教版初中物理》現(xiàn)狀分析

依然用小磁針法與鐵屑法來表示磁場(chǎng)的分布，但只展示馬蹄形磁體的磁場(chǎng)分布。因此，仍然存在空間磁場(chǎng)分布不明的問題。

4.《上教版初中物理》現(xiàn)狀分析

不同于其他三本教材，《上教版》提到了磁場(chǎng)的空間分布狀況，但僅僅提供了空間磁場(chǎng)分布的模型。

三、自制教具

1.思路改良

各版本教材僅《上教版》提及了“空間磁場(chǎng)分布”的相關(guān)內(nèi)容。這依然是一個(gè)易讓學(xué)生混淆的問題，因此可基于“空間磁場(chǎng)可視化”的思路來優(yōu)化相關(guān)實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)教具。

2.材料選擇

教具材料的選擇應(yīng)當(dāng)遵循科學(xué)性原則，避免實(shí)驗(yàn)展示過程中出現(xiàn)各種問題，還應(yīng)遵循經(jīng)濟(jì)性原則，同時(shí)應(yīng)當(dāng)便于保存與攜帶，展示效果直觀，有利于學(xué)生觀察學(xué)習(xí)，教具操作應(yīng)簡(jiǎn)便，有利于實(shí)際課堂教學(xué)。

（1）磁體。磁體選用磁力較強(qiáng)的銣磁鐵，經(jīng)濟(jì)。同時(shí)通電螺線管也是不錯(cuò)的選擇。（2）硅油與氧化還原鐵粉。在空氣中，鐵粉受到重力作用，不能漂浮在空中，因而不足以表現(xiàn)空間磁場(chǎng)的具體分布。同時(shí)，鐵粉在空氣中易受到空氣的氧化作用，從而減小磁性。而硅油有著較好的黏性和密度，足以使鐵粉在其中懸浮，同時(shí)硅油能夠阻絕空氣。（3）模具。在硅油外，用長(zhǎng)方體有機(jī)模具進(jìn)行包裹。

3.教具模型設(shè)計(jì)

基于以上的設(shè)計(jì)思路與材料，制作了如下的教具模型：

（1）雙磁體。將磁體放入相對(duì)應(yīng)的兩側(cè)，可用于觀察多種磁現(xiàn)象。可選長(zhǎng)方體磁體、圓柱體磁體與通電螺線管等多種磁體。

[①]同名磁體與異名磁極間空間磁場(chǎng)分布。[②]不同形狀的磁體的同名及異名極磁場(chǎng)分布，如長(zhǎng)方體與圓柱體磁體。（2）單磁。用于觀察單磁體在空間中的分布，也可用于觀察移動(dòng)磁體的磁場(chǎng)分布變化，可選用長(zhǎng)方體磁體、圓柱形磁體和通電螺線管等多種磁體。

四、成果與展示

本文著力于雙磁體展示與單磁體展示教具進(jìn)行嘗試制作。

1.單磁體空間磁感線分布展示教具的制作

1.1教具制作。確定好模具尺寸，并繪制相關(guān)模型。通過小開口，用注射器將硅油注入，填滿模型，并輕輕拍打模型并靜止，待空氣溢出。將鐵粉進(jìn)行充分研磨，獲得更小的鐵粉顆粒。向模型中加入少量鐵粉，觀察鐵粉在硅油中的懸浮運(yùn)動(dòng)情況。再在通道中加入銣磁鐵，觀察鐵粉在硅油中的運(yùn)動(dòng)情況。將磁體取出，不斷加入鐵粉，再放入磁體進(jìn)行模擬，直至鐵粉能夠大致的模擬磁場(chǎng)分布形狀為止。取出磁體，將小開口封死。教具完成。

1.2效果展示。開口封死后，將模型中鐵粉搖勻，在通道中加入磁體。鐵粉在空間中按照一定規(guī)則排列，能夠大致模擬圓柱形磁體在空間中的磁場(chǎng)分布狀況，兩頭較為密集，中間較為稀疏。同時(shí)，磁體可以在通道中運(yùn)動(dòng)，用于觀察運(yùn)動(dòng)磁體的磁場(chǎng)變化狀況。也可用通電螺線管代替磁體，用以展示通電螺線管的空間磁場(chǎng)分布狀況，探究通電螺線管的相關(guān)性質(zhì)。

2.雙磁體空間磁感線分布展示教具的制作

2.1確定好模具尺寸，并繪制相關(guān)模型圖。按尺寸將亞力克板切割，并用亞力克膠水將各面黏住。通過小開口，用注射器將硅油注入，填滿模型，輕輕拍打模型并靜止，待空氣溢出。向模型中不斷加入鐵粉，放入雙磁體進(jìn)行相斥、相吸模擬，試驗(yàn)多次，直至鐵粉能夠大致的模擬磁場(chǎng)分布形狀為止。取出磁體，將開口封死。教具完成。

2.2效果展示。當(dāng)插入兩個(gè)磁極時(shí)，磁體會(huì)出現(xiàn)相斥與相吸兩種狀況。可用于觀察兩磁體相吸的空間磁場(chǎng)分布狀況。利用雙磁體教具磁體，可觀察相斥與相吸兩種狀況時(shí)，空間中兩磁體的空間磁場(chǎng)分布狀況。

五、總結(jié)

本研究設(shè)計(jì)并制作了空間磁感線分布演示裝置，用于具象空間磁場(chǎng)。雖然完成了教具的初步建構(gòu)，但仍存在不足，還需不斷完善。

在制作教具的過程中，仍存在兩點(diǎn)不足。1.加入的鐵粉仍過細(xì)，導(dǎo)致磁場(chǎng)分布模擬不夠細(xì)致，雖采用了氧化還原所用的鐵粉并進(jìn)行充分研磨，但仍不能完全滿足教具制作的需要。2.油的黏度仍偏大，使磁場(chǎng)分布不夠細(xì)致，磁場(chǎng)較弱的磁體中部成像不明顯，仍需探索更佳粘度的硅油。

參考文獻(xiàn)：

[1]韋淑敏.自制教具在初中物理教學(xué)中的實(shí)踐研究[D]天津師范大學(xué)，2012

[2]張寶瑞.高中電磁學(xué)可視化教學(xué)實(shí)踐[D]內(nèi)蒙古師范大學(xué)， 2015