“探究磁體周圍磁場”系列實驗的研究與重構*

朱峰磊

(江陰市華西實驗學校 江蘇 無錫 214400)

1 教材分析

物理課程是一門注重實驗的自然科學基礎課程.蘇科版教材[1]尤其注重學生通過觀察、實踐、體驗等方式經歷科學探究過程.蘇科版物理九年級下冊“磁體 磁場”一節內容的教學順序為“觀察磁現象—認識磁場—描述磁場—應用磁場”[3]，符合了從現象到本質的認知規律.該教材以類似剝洋蔥的層級遞進的教學思路推進著教學活動的開展.同時《義務教育物理課程標準(2011年版)》明確指出要“通過實驗”認識磁場[2]，突顯了實驗在磁場教學的重要作用和積極意義.

著名的諾貝爾物理學獎獲得者丁肇中先生說過：“實驗可以推翻理論，理論絕對不能推翻實驗.‘相對論’要是沒有實驗證明的話，是沒有意義的.”丁肇中先生一直強調物理實驗對于物理學習的重要性.初中物理學習是學生在物理學習生涯中的起步階段，學生只有通過簡潔有效的實驗探究才能更好地獲得物理知識與技能.通過實驗探究使思維進階，符合學生的認知規律.因此初中階段的物理實驗就顯得格外重要！

2 實驗現狀分析

2.1 平面磁場分布器材的分析

磁場平面演示板：在預設的位置上固定若干可自由轉動的小鐵片.未放入磁體時，小鐵片的指向無規律，如圖1所示.

在中間位置放入強磁體，輕敲底板，小鐵片的轉動呈現一定規律，將磁體周圍的磁場顯現，如圖2所示.

圖2 放入磁體的磁場平面演示板

分析：實驗操作簡單、現象明顯，學生較容易得出條形磁體周圍磁場分布特點.小鐵片可以自由轉動，但鐵片位置是有計劃的人為設定，無法通過平面局部鐵片疏密分布說明磁場的強弱，磁場分布規律缺乏自然的生成過程.

蘇科版物理九下教材設置學生活動16.3中，用鐵屑探究磁體周圍的磁場：將有機玻璃放在條形磁體上面，在玻璃上均勻地撒一些鐵屑.輕輕敲擊玻璃板，讓鐵屑有序排列，將磁場的分布顯示出來，如圖3所示.

圖3 條形磁體周圍平面鐵屑分布

分析：教材實驗安排，在單一平面內的探究磁場分布，操作簡單，現象明顯，學生較容易得出條形磁體周圍磁場分布特點.但是這種單一平面內的實驗現象，若缺乏對于磁體周圍磁場空間分布的必要說明，那么學生對于磁場的認知就可能存在缺陷.然而受到現有實驗器材條件的限制，學生看到的平面化的實驗結果并非磁場的真實全貌.由于無法呈現出磁場空間分布的全貌，這就會導致學生對磁場形態形成平面化的片面認知.

在受到實驗器材條件限制時，教師可以采用如下理論化的分析方法：以已有的條形磁體平面磁場為基礎，由于條形磁體在空間上是對稱的，因此條形磁體在立體空間內也存在磁場，并且每一個軸向旋轉對稱平面內的磁場分布應是一致的.這樣，教師就可以引導學生發揮空間想象力，構建一個想象而成的條形磁體的空間磁場圖像；必要時，教師還可以展示空間磁感線分布圖4供學生參考.盡管如此，立體的空間概念以及相應的解釋，對于初中生來說仍有較大的難度.

圖4 條形磁體空間磁感線分布圖

2.2 空間磁場分布器材分析

6塊磁場平面演示板互成60°夾角立體組合，形成根據3個平面磁場分布粗略反映磁場空間分布的模型.未放入磁體時，磁場空間演示板小鐵片的指向無規律.當在中間位置放入強磁體，輕敲器材，小鐵片的轉動呈現一定的空間分布規律，將磁體周圍空間磁場分布顯現出來.實驗現象如圖5和圖6所示.

(a)未放磁體

(b)放入磁體

分析：實驗最大優點是呈現了條形磁體周圍磁場空間分布特點.小鐵片磁場分布規律缺乏自然的生成，同時由于僅有3個平面的呈現，磁場立體空間感稍顯不足.

3 實驗重構思考與實踐

根據對教材安排和現有器材的分析，結合現有實驗的優點和不足，筆者提出自己思考和實踐.

思考：在水平面內磁體磁場分布用鐵屑可以較清晰地呈現.由于重力的影響，用自由鐵屑在其他平面內呈現比較困難.位置的固定小鐵片可以消除重力的影響，但由于小鐵片位置是固定的，實驗結論人為干擾的成分較多，便很難根據鐵屑分布疏密反映磁場的強弱.

實踐：基于以上思考，筆者提出用自由鐵屑撒入黏度較大的透明液體中，抵消重力的影響，呈現磁體磁場空間分布特點.

透明亞克力模具中倒入足量黏度較大的透明液體(例如立白洗潔精、甲基硅油)，如圖6所示.在透明液體中均勻撒入適量的鐵屑，部分鐵屑沉底，部分鐵屑懸浮，如圖7所示.用亞克力膠將帶凹槽的透明亞克力板密封粘合在模具上，如圖8所示.

圖6 模具中倒入透明液體

圖7 撒入適量鐵屑

圖8 封上帶凹槽的蓋子

搖晃模具，使液體中的鐵屑均勻分布.在凹槽中嵌入強磁體，原本靜止的鐵屑受到磁力的作用瞬間在液體中“游動”，如圖9所示.用兩塊模具對合，將磁體嵌入各自凹槽，使含有鐵屑的液體全方位包裹強磁體，待靜止后呈現磁場空間分布規律，如圖10所示.

圖9 凹槽中嵌入磁體后液體中鐵屑的分布

圖10 液體中磁體周圍磁場空間分布

通過實驗重構，自由鐵屑撒入黏度較大的透明液體中，抵消重力的影響，完美呈現磁體磁場空間分布特點.將抽象空間磁場分布具體化、形象化，學生經歷完整的探究過程，實驗結論更具有說服力、科學性.

4 重構實驗評價與反思

筆者將模具內填充不同的透明液體，分別根據各自的實驗效果進行優缺點對比說明，如表1所示.

表1 不同填充液體實驗對比

磁場是磁現象知識的基礎，由于磁場本身的不可見性，增加了學生對磁場認知的難度.學生根據經歷探究磁場對進入其中的鐵屑等鐵磁物質有力的作用的實驗，形成了對磁場這種物質的新認知.但由于學生抽象邏輯思維還尚未成熟，真正全面理解“磁場”還有一定難度.

磁體周圍立體空間磁場分布的自制實驗教具幫助學生建立了從二維平面到三維空間的磁場分布模型，使學生的思維從具體形象向抽象邏輯進階.