采用現代加工技術提高自制教具水平
——以“電磁阻尼”和“海獅戲球”自制教具為例

吳鍵兵 陳 嫻 唐守平

（1.南京師范大學教師教育學院，江蘇 南京 210097；2.南京師范大學物理科學與技術學院，江蘇 南京 210097）

1 問題的提出

中學物理教學一直鼓勵教師開發并自制教具，普通高中物理課程標準［1］（2020年修訂）指出：“演示實驗是師生共同探究物理問題的學習方式，也是體驗性較強的學習方式，教師要積極利用各種器材，創新實驗方式，盡可能多地開發可視性強、證據性強、能引起學生濃厚興趣的演示實驗.”

但是，在教學過程中，由于缺乏可視性強的實驗演示，影響學生物理概念的構建.例如，在人教版《物理》選擇性必修2［2］（35頁）的“電磁阻尼”部分，教材中沒有給出具體的演示實驗，而是通過對落入磁場中的單匝線圈進行受力分析，告知學生什么是電磁阻尼效應.因此，加強自制教具的開發，豐富實驗教學資源，對于中學物理教學具有重要的作用.

在自制實驗教具時，會涉及高精度、特殊構型教具的制作，采用傳統鉗工、木工、車工等加工技術時，需要教師具有比較嫻熟的技術，同時特殊構型教具的制作加工困難.隨著現代加工工藝的發展，激光切割、3D打印等新加工方式的出現，為自制教具提供了新途徑.這類加工技術通過軟件設計、繪圖，再由電腦控制機器加工，可以實現高精度加工，滿足特殊構型教具的制作，大大降低了教師的加工技術要求，豐富了物理教學的實驗資源.本文以“電磁阻尼”和“海獅戲球”兩個教具制作為例，展示了激光切割等現代加工技術在自制教具中的應用.

2 “電磁阻尼”演示儀的設計與制作

2.1 設計原理

對教材中“落入磁場中的單匝線圈”進行受力分析，可以發現，線圈進入磁場過程中受到向上的安培力，阻礙線圈的下落.根據這一理論，我們將線圈換成非鐵磁類金屬板（例如，鋁板），并在底座上設置放置磁鐵的支架.當支架上未放置磁鐵時，鋁板從高處下落，由于具有較大的動能，可以輕易砸壞底座上放置的物體（例如：雞蛋、胡蘿卜、黃瓜等）.若在支架上放置磁鐵，由于穿過鋁板的磁通量發生變化，使得鋁板受到向上的安培力作用，給快速下落的鋁板減速，最終平穩停在物體上方.在一些科普視頻中也有類似的實驗現象，［3］給觀眾留下了深刻印象.

2.2 材料選擇

8 mm厚度亞克力板若干、銣磁鐵2塊、200×200×2 mm鋁板1張、330×150×2 mm鐵板1張、亞克力材料粘合膠水、胡蘿卜或黃瓜1根、螺絲若干.

2.3 教具制作

根據“電磁阻尼”原理，并結合一些科普視頻，“電磁阻尼”演示儀設計結構如圖1所示，由軌道、磁鐵支架、底座組成.底座為一塊400×250 mm的亞克力板，用于維持整個裝置的穩定性.磁鐵支架是一塊被彎折90°的“L”型鐵板，一面與豎直軌道平面平行，用于放置銣磁鐵，其下半部分開孔方便放置物體；鐵板的另一面與底座平行，用螺絲進行固定，鐵板與豎直軌道平面之間距離可調，用于調節磁鐵與豎直軌道平面的距離.用三塊亞克力板拼接形成“Π”型結構的豎直軌道，中間凹槽為鋁板豎直下落的軌道.

圖1 “電磁阻尼”演示儀模型圖

由于軌道、磁鐵支架、底座等主要采用拼接方式，要求接口等具有較高的精度，因此采用了軟件繪圖設計、數字控制加工、激光切割的現代加工技術，便捷地完成了教具的制作.圖2是組裝完成的“電磁阻尼”演示儀實物圖.

圖2 演示儀實物圖

2.4 實驗演示

自制的“電磁阻尼”演示儀主要演示兩種實驗現象：（1）下落鋁板落到底座，切斷擺放在下方的黃瓜；（2）鋁板平穩地停在黃瓜上方的某一位置.鋁板下落的位置可通過調節磁鐵與軌道平面的距離來控制.

調節磁鐵支架使磁鐵遠離鋁板下落平面，此時磁鐵對下落鋁板產生的阻力很小，可以忽略，鋁板近似做自由落體運動，具有較大的速度，能夠輕易切斷下方的黃瓜（如圖3所示）.

圖3 切斷黃瓜

調節磁鐵支架使磁鐵靠近鋁板下落平面，此時磁鐵對鋁板下落的運動阻礙較大，大大減小了鋁板的下落速度，最終鋁板平穩地停在黃瓜上方（如圖4所示）.

圖4 平穩地停在黃瓜上

通過“電磁阻尼”演示儀演示的兩個實驗現象，即同一高度下落的鋁板，一次切斷了黃瓜，一次平穩地停在黃瓜上，給學生帶來了較強的視覺沖擊，明顯的實驗現象使學生產生了認知沖突，激發了他們的學習興趣，進而建立新的認知結構.

3 “海獅戲球”的設計與制作

3.1 海獅戲球的設計原理

圖5是“海獅戲球”玩具，當緩慢推動海獅向前移動時，特制小球也會跟著向前移動并且旋轉.這是因為海獅和小球中分別放置了一塊磁鐵，通過磁鐵的同極相斥、異極相吸作用，產生“海獅戲球”現象.但是，想要展示玩具應有的物理現象，兩塊磁鐵如何擺放是有要求的.［4］

圖5 海獅戲球玩具照片

雖然海獅戲球玩具涉及的物理原理很簡單，但給學生展示時也能夠產生很奇妙的物理現象，將它應用到物理教學中，可以激發學生對物理探究的興趣，培養創新思維.但是，在課堂上演示“海獅戲球”現象時，由于無法拆卸玩具，學生看不到內部結構，不利于學生對實驗原理的理解.因此，在教學過程中，向學生展示清晰的內部結構，促進學生物理觀念的建構，也是制作演示儀器需要考慮的重要方面.

3.2 材料選擇

5 mm厚度亞克力板若干、條形磁鐵2塊、亞克力材料粘合膠水、螺絲若干、可拆塑料空心小球1個.

3.3 教具制作

為了保留玩具原本的趣味性，制作的教具仍然選擇海獅形狀（圖6），但是，海獅形狀極不規則，傳統工藝制作難度較高，因此，需要采用激光切割的現代加工技術.切割兩片不透明亞克力板作為教具的外側面板，在演示時學生無法看清內部構造，保留其神秘性.海獅內部需要放置磁鐵，因此制作的海獅中間需要有一定的空間.通過切割多片中間帶有空腔的海獅形狀的亞克力板（圖7），疊加起來，這樣海獅模型就可以留出一個放置磁鐵的長方體空間.最后將多片海獅形狀的亞克力板疊在一起，從三個圓圈插入、擰緊螺絲，即可制作出一個海獅形狀的模型（圖8）.這種可拆裝結構為教學過程中向學生展示清晰的內部結構提供了可能.小球和磁鐵可以直接購買，但是條形磁鐵豎直放入小球時，其長度不能超過小球半徑，以保證磁鐵加小球的組合體重心較低，達到實驗的預期效果.

圖6 海獅模型A圖

圖7 海獅模型B圖

圖8 海獅戲球教具

3.4 實驗演示

在調試自制的“海獅戲球”玩具時發現，不僅可以演示海獅推著小球向前運動，還可以演示海獅后退時，小球也跟著后退，產生兩種現象的關鍵因素是兩塊磁鐵擺放的位置關系.

如圖9所示，當海獅中的磁鐵在zOy平面內并與z軸有一定的夾角θ、小球中的磁鐵在與zOy平行的平面中并與z軸平行時，由于兩塊磁鐵的同極大致相對，此時推動海獅向小球靠近，會對小球施加沿x軸的推力F，從而使小球內磁鐵繞前進軸偏轉.［5］最終表現為小球旋轉前進.如果兩塊磁鐵按照圖10的位置擺放，即兩塊磁鐵異極大致相對.此時，當海獅遠離小球時，對小球內磁鐵施加的推力F就變成了與x軸方向相反的吸引力F′，最終實現小球旋轉后退.為了方便調節磁鐵角度，可以在海獅內的磁鐵上粘一根小木棒，并延伸到海獅模型外面（圖11），通過旋轉木棒，調整磁鐵角度，向學生演示海獅隔空推著小球前進以及拉著小球后退的兩種現象.

圖9 海獅推著小球前進

圖10 海獅拉著小球后退

圖11 海獅內磁鐵剖面圖

4 總結

物理學是以實驗為基礎的科學，物理教學必須以實驗為基礎.自制教具可以更好地實現教學目標，易于揭示物理現象的本質特征；而且可以使學生感到親切，含有許多創造教育的元素.

傳統的自制教具是通過對生活中的一些物品進行加工而來，故而常存在限制多、精度低以及技術要求高等問題.隨著現代加工技術的普及，現代加工技術精度高，操作簡單，能夠制作出我們想要的任意形狀的部件，這為自制教具帶來極大的方便，教具制作的技術門檻和成本不斷降低，［6］可以讓更多教師的創作靈感得以實現.