基于Phyphox的奧斯特實驗創新設計研究

在1820年，丹麥杰出物理學家奧斯特（Oersted）進行了一項引人注目的實驗，他發現通電導線竟然能夠產生磁場，這一發現無疑揭示了電流與磁場之間深層次的相互作用。這一革命性的現象不僅為電磁學領域的后續探索鋪設了穩固的基礎，更成為物理學史上的一座重要里程碑。在現今的物理教學中，學生通過親身參與科學探究，進行實驗或觀察實驗過程，深入剖析實驗現象，進而歸納得出結論，深刻理解電流的磁效應。那么，從奧斯特的這一經典實驗出發，是否能夠引出更多富有創意和深度的實驗設計？又是否能夠通過深入挖掘這一實驗的內涵，激發學生的創新思維，培養他們的探索精神？為了更好地發揮奧斯特實驗在物理教學中的作用，通過追溯奧斯特實驗的歷史事實，清晰闡述其來龍去脈。并借助現代科技工具Phyphox，引導學生對奧斯特實驗進行更深入的研究，使其更符合現代教學理念，有效地提升學生的物理認知和實踐能力。這樣，不僅能夠讓學生更好地理解和掌握電磁學的基本知識，更能夠培養他們的物理核心素養，為未來的科學探索奠定堅實的基礎。

1 溯本清源，澄清奧斯特實驗的主要史實

通過查詢物理學史相關書籍，澄清了奧斯特實驗的主要發展歷程，展現科學家研究過程中的寶貴品質。

1.1 最初電磁現象相似，卻互不聯系

電和磁具有一定的相似性，卻互不聯系。東漢王充在《論衡·亂龍篇》指出“頓牟掇芥，磁石引針”，頓牟、草芥、磁石、鐵針外形不同，但屬于同類，同類則氣性相通，相互感應。這說明電現象和磁現象具有相似性。電力和磁力遵循相同的平方反比例，遵循相同的規律。然而，17世紀初吉爾伯特斷言電和磁之間沒有因果關系，且庫侖也持這樣的觀點，因此，阻礙了人們對于電和磁聯系的深入研究。

1.2 深受康德“自然界各種現象相互聯系”觀點影響，開始探索電向磁轉化條件

奧斯特深受德國哲學家康德“各種自然力相互轉化”的觀點影響，奧斯特相信自然界各種現象是相互聯系的，是統一的。

1751年富蘭克林發現萊頓瓶放電磁化鋼針的現象對奧斯特啟發很大，奧斯特認識到電向磁的轉化是有可能的，關鍵是要找出具體條件。在1812—1813年《關于化學力和電力統一性》的研究中，奧斯特根據電流流經直徑較小的導線時會發熱的現象，推測：如果通電導線的直徑繼續變小，那么導線就會發光；通電導線直徑進一步縮小，小到一定程度就會產生磁效應。文章指出，“我們應該檢驗電是否以其最隱蔽的方式對磁體有所影響。”

1.3 提出猜想，實驗驗證

在1819年的寒冬，奧斯特在哥本哈根教授電與磁的相關知識，他深入剖析了前人沿電流方向尋找磁效應而不得的實例，從而聯想到磁效應可能并非像電流流經導線時產生的熱與光那樣沿直線傳遞，而是像散射般向四周擴散，呈現為一種側向（橫向）的效應。因此，他設想如果將磁針置于載流導線的四周——上方、下方、左側或右側進行觀察，或許能有所發現。

進入1820年的春天，奧斯特開始著手安排第一組實驗，以驗證自己的這一猜想。他采用了伽伐尼電池，使電流通過一根直徑極小的鉑絲，鉑絲下方則放置了一個被玻璃罩保護的磁針。然而，實驗的結果并未如他所愿，首次嘗試以失敗告終。

1.4 偶然發現，小心求證

1820年4月的某個夜晚，當奧斯特的講課即將接近尾聲時，他手中已經利用強伽伐尼電池完成了其他實驗。此刻，他興奮地提議，“既然電池仍保持著強大的電力，我們不妨嘗試將導線與磁針平行放置，看看會有什么發現！”隨后，他精心地將導線和磁針都沿磁子午線方向擺放妥當，并接通電源。果然，他觀察到電流附近的小磁針發生了顯著的變化，大幅度地轉向了與導線垂直的方向。

這一轉動對于在場聽講的人而言或許并不顯著，但奧斯特卻深受震撼。他立刻調整了電流的方向重新進行實驗，結果觀察到磁針朝著相反的方向轉動。奧斯特敏銳地捕捉到了這一重要發現，并接連進行了六十多個實驗。他不僅嘗試將磁針置于不同位置，以觀察電流對其作用的方向和強度，還嘗試讓電流通過玻璃、金屬、木頭、水、樹脂、陶器、石頭等各種介質作用在磁針上，發現這些介質都未能阻礙電流對磁針的偏轉作用。基于這些實驗，奧斯特總結出了這種所謂“電沖突”作用的基本特性。

值得一提的是，奧斯特的這一發現——電流伴隨磁場，最早是在1820年7月21日的《關于磁體周圍電沖突的實驗》這一簡短報告中以拉丁文記錄的。這份報告的英譯本后來由杰·義·康卜牧師翻譯，并刊登在1877年出版的1876年度《電訊工程學報》第5卷第459頁上，這一發現為電磁學的發展奠定了重要基礎。

1.5 實驗意義重大

奧斯特的發現具有三大深遠意義，不僅重塑了我們對電磁現象的理解，也為后續的技術革新奠定了堅實的基礎。

首先，奧斯特的突破性實驗首次揭示了電現象與磁現象之間的直接聯系。他通過電流產生的磁場，證明了電與磁之間存在著不可分割的關系，為電磁關系的探索開辟了一條嶄新的道路。這一發現徹底打破了人們對電和磁兩個獨立領域的傳統認識，為電磁學的誕生和發展奠定了堅實的基礎。

其次，奧斯特的實驗結果與當時力學的基本原理產生了顯著的矛盾。在奧斯特的實驗中，他觀察到電流產生的磁場對周圍物體產生了一種旋轉力，而不是傳統的直接推拉產生的中心力。這一發現對傳統的力學觀念產生了強烈的沖擊，引發了人們對力學基本原理的重新審視。這種旋轉力的發現不僅揭示了電磁現象的新特性，也為后續的動力學、電磁學等領域的研究提供了新的視角和方法。

最后，奧斯特的實驗預示了未來電力應用的巨大潛力。他的發現為電磁技術的發展奠定了堅實的基礎，使得電報、電動機、電磁鐵等技術的廣泛應用成為可能。這些技術不僅極大地推動了工業革命的發展，也為現代社會的信息化、自動化和智能化提供了強大的技術支持。

2 利用Phyphox優勢，展示奧斯特實驗的育人價值

首先，集各種傳感器和Phyphox等軟件于一體的智能手機，為奧斯特實驗的改進帶來了機遇。Phyphox軟件具有多功能性，提供了多種傳感器的支持，包括加速度計、陀螺儀、磁力計、光傳感器等等；其次，Phyphox的界面設計簡潔直觀，易于使用；再次，Phyphox不僅可以記錄實驗數據，還可以以圖表和圖像的形式直觀地展示這些數據；最后，Phyphox支持實驗數據的導出和分享，用戶可以將實驗結果保存為文件，方便與他人交流和展示。基于以上優點，筆者引導學生利用Phyphox中的磁力計來代替在奧斯特實驗中的小磁針，深入探究歷史上的實驗過程，充分發揮這一實驗的育人價值。

2.1 Phyphox中的磁力計

Phyphox中的磁力計主要功能有：測量x、y、z三個分量的磁場，并用圖像和數值分別表示出三個方向的磁場與時間的關系。如圖1所示，在Phyphox中z軸垂直于屏幕，指向屏幕外；x軸沿手機短邊方向指向右側；y軸沿手機長邊指向上。由此可以直觀地了解磁場在各個方向上的變化情況。

2.2 用Phyphox中磁力計代替小磁針的優勢

向學生介紹Phyphox軟件中的磁力計，讓學生了解Phyphox軟件中的磁力計具有以下優點：

（1）測量靈敏

當通電導線的電流微弱，產生的磁場往往相對較弱，傳統的實驗器材如小磁針往往難以呈現出明顯的偏轉效果。然而，借助Phyphox中的磁力計，可精準且靈敏地測量通電導線周圍的磁場變化，使得實驗現象變得顯著可見。這一顯著優勢不僅提升了實驗的準確性，還有效地解決了傳統實驗中可能出現的電路瞬間短路問題，從而確保了實驗過程的安全性和可靠性。

（2）實驗結果直觀

通電導線周圍的磁場變化，通過圖像得以直觀展現，即便實驗暫停，圖像仍會保持，能夠給予學生充裕的時間，深入觀察圖像變化，思考其中的實驗現象。這種方式有助于學生學習并掌握通電導線周圍存在磁場，以及磁場與電流方向之間關系的重要知識點。

（3）材料易得

Phyphox軟件在各大智能手機應用商店均可免費下載，基本功能無須額外付費。鑒于智能手機在現代社會的普及程度遠超小磁針，利用Phyphox中的磁力計替代傳統實驗器材中的小磁針，無疑更為便捷高效。這種創新方式不僅簡化了實驗流程，還提升了實驗的精確度和可操作性，為學生提供了更為優質的學習體驗。

2.3 實驗設計

讓學生在了解史實的基礎上，鼓勵學生利用Phyphox對奧斯特實驗進行拓展實驗設計。在實踐中深化對“電生磁”物理現象的理解，并且拓寬視野，旨在全面提升學生的實驗操作能力，并同時培養他們深厚的科學精神與不懈的探索意識。

（1）實驗一：探究通電導線的磁場方向與電流大小的關系

學生將導線、電源等器材正確連接和放置。在確保電源電壓恒定的前提下，閉合開關，觀察實驗現象并記錄數據；斷開開關，改變滑動變阻器接入電路阻值大小，以此來改變了電路中的電流，閉合開關，觀察實驗圖像。細致觀察并記錄下實驗圖像的變化。在整個過程中，學生嚴謹地記錄各項數據，并對其進行深入的分析，以獲取更準確的實驗結果。

圖像分析：通過調節滑動變阻器改變接入電路中的電阻大小，進而觀察電流和磁場強度之間的變化關系，并仔細觀察實驗圖像。如圖2所示，隨著滑動變阻器的調整，電路中的電流逐漸增大。手機的磁場傳感器所顯示的y軸方向和z軸方向的磁場強度均呈現出了明顯的增大現象。這一發現不僅驗證了電流與磁場強度之間的正相關關系，也進一步加深了學生對電磁學基本原理的理解。

實驗結論：通電導線的磁場與電路中的電流有關。電路中電流越大，通電導線產生的磁場越大。通過改變通電導線的電流大小可以控制導線附近的磁場大小。具體來說，當電流在導線中流動時，它會在導線周圍產生一個磁場，這個磁場的大小與電流的強度成正比。將電流類比成水流，而磁場則是水流產生的漩渦。當水流（電流）增加時，漩渦（磁場）的強度和范圍也會相應地增大。同理，在電路中，電流越大，通電導線周圍的磁場就越強，其影響范圍也會更廣。

該實驗是對教材基礎實驗的一次深化拓展，旨在更全面地探究通電導線磁場大小的變化規律。學生在參與這一實驗的過程中，不僅鞏固了已學的電磁學知識，而且通過實驗實踐，進一步提升了實驗方法和科學探究能力。

在實驗中，學生利用滑動變阻器來改變電路中通電導線的電流大小，這一操作是對歐姆定律實驗中實驗方法的遷移和創新應用。通過這一操作，學生可以實時調節電流強度，從而精準地觀察和分析磁場大小的變化。這種實驗方法的遷移應用，不僅鍛煉了學生的實驗操作能力，也培養了他們的邏輯思維能力和科學探究精神。學生通過觀察手機傳感器中的圖像變化可以直觀地觀察到通電導線磁場的大小隨電流大小的變化情況，這種直觀的觀察有助于他們深入理解磁場與電流之間的關系。當電流增大時，磁場強度也隨之增強；當電流減小時，磁場強度也相應減弱。這種直觀的觀察有助于學生深入理解磁場與電流之間的密切關系，加深他們對電磁學基本原理的認知。

此外，這一實驗還為學生后續學習磁場知識打下了堅實的基礎。通過親手操作和觀察，學生對磁場的概念、性質和應用有了更深刻的理解。這種實踐性的學習方式不僅提高了學生的學習興趣，也為他們將來在電磁學領域的深入學習和研究奠定了良好的基礎。同時，這一實驗也培養了學生的實驗素養和科學探究能力。

（2）實驗二：探究通電導線的磁場是否會受到介質影響

學生在探究實驗一的裝置基礎上準備各種不同材料的物品。保持通電導線與手機的位置不變，滑動變阻器阻值不變，閉合開關。將物品置于通電導線與Phyphox磁力計之間，改變通電導線與手機之間的介質，觀察Phyphox磁力計圖像的變化情況。為了實驗的全面性和對比性，筆者特別準備了非金屬、銅質金屬、軟磁材料和硬磁材料這四類物品進行實驗。當然，學生也可以根據具體的實驗條件和需求，自行選擇合適的物品進行探究。這一步驟旨在通過實驗驗證不同材料對磁場傳播和分布的影響，進一步拓寬學生對磁場性質的認識。

非金屬材料物體涵蓋了陶瓷、塑料棒、有機玻璃棒、木棒、紙棒以及布條等，這些材料在磁場中通常不表現出顯著的磁性變化。銅質金屬材料則包含黃銅棒和鋁青銅棒，它們雖為金屬，但因其特殊的組成，通常不會被磁場明顯磁化。軟磁材料如鑰匙和鐵釘，在磁場作用下易于磁化。例如，當鑰匙暴露在磁場中，它會被磁化并因此能夠吸引回形針。然而，一旦磁場消失，鑰匙的磁化現象也隨之消退，無法再吸引回形針。硬磁材料則截然不同，包括磁鐵和小磁針等。這些材料一旦磁化，便能保持恒定的磁性，即使在磁場消失后，仍能保持其磁性狀態。

當非金屬物體和銅質金屬被放置在通電導線與手機之間時，磁場在各個方向的強度隨時間流逝并未出現顯著變化。然而，一旦將軟磁材料置于這一區域，磁場強度便隨時間顯著增強，展現了軟磁材料易于被磁化的特性。當硬磁材料如磁鐵或小磁針被引入這一區域時，磁場強度隨時間產生了明顯的波動，體現了硬磁材料一經磁化即能保持恒定磁性的獨特性質。

結論分析：當介質為非金屬和銅制金屬時，通電導線的磁場基本保持穩定，不受顯著影響。然而，當介質轉變為軟磁或硬磁材料時，通電導線的磁場將經歷顯著變化。軟磁物體對磁場具有高度的敏感性，它們能夠有效地吸引并集中磁場線。當通電導線附近有軟磁物體時，這些物體會主動吸引并導引磁場，使磁場線更為集中地穿過導線和軟磁物體，從而顯著增強該區域的磁場強度。相比之下，硬磁物體雖然也對磁場有響應，但其磁化狀態較為穩定，難以輕易改變。當通電導線附近存在硬磁物體時，硬磁物體的固有磁場將與通電導線的磁場相互作用，引發磁場的畸變和附近磁場分布的調整，這種相互作用可能導致磁場強度的局部增強或減弱以及磁場方向的改變。

通過此實驗進一步強化學生科學探究的能力。并為他們提供一個將理論知識與實際操作相結合的平臺。在實驗的起始階段，學生需要自行設計實驗方案，并決定在通電導線和磁力計之間放置何種物體。這種開放性的實驗設置鼓勵學生主動思考，培養他們的創新思維和問題解決能力。在實驗過程中，學生通過觀察并記錄不同材料對通電導線磁場的影響，當他們在通電導線附近放置軟磁材料時，會發現這些材料能夠顯著增大磁場強度。這一發現不僅讓學生更直觀地理解了電與磁之間的密切關系，也為他們后續學習通電螺線管中放入金屬物質能夠增大通電螺線管周圍磁場的知識提供了實踐基礎。

此外，這個實驗還為學生認識電磁鐵的工作原理打下了堅實的基礎。學生將意識到，通過控制電流和選擇合適的材料，我們可以有效地調節和增強磁場。這種認識不僅有助于他們理解電磁鐵在日常生活和工業生產中的應用，也激發了他們對電磁學領域深入探索的興趣。這一實驗不僅強化了學生的科學探究能力，還深化了他們對電與磁相互關系的認識。同時，它也為_{AF0r9s62NshEqdOcgcr+HA==}學生后續學習通電螺線管和電磁鐵等相關知識提供了寶貴的實踐經驗。

3 結語

教師可以利用物理學史中的經典案例，特別是奧斯特關于電流磁效應的發現，引導學生設計并完成一系列富有啟發性的實驗。通過讓學生代入奧斯特的角色，深入探索電與磁之間的神秘聯系，不僅能激發學生對科學探索的濃厚興趣，還能培養他們的創新思維和實驗技能。

在實驗設計過程中，教師鼓勵學生像當時的科學家一樣，思考接下來的研究方向、實驗方法和可能的驗證手段。學生需要思考如何設計實驗來驗證自己的理論假設，并探索實驗可能的延伸方向。

在實驗實施過程中，學生通過動手操作，觀察并記錄實驗現象和數據。分析討論實驗結果。通過這個過程，學生將學會發現問題、分析問題、解決問題的能力，同時培養他們的科學思維方法和嚴謹的實驗態度。

在實驗完成后，學生需要將整個實驗過程進行詳細的描述和探討。他們可以通過小組討論、班級匯報或書面報告的形式，分享自己的實踐經驗和發現。這不僅有助于鞏固他們的知識理解，還能提高他們的表達能力和團隊協作能力。

通過這一系列的實驗活動，學生將深刻體會到科學探索的樂趣和價值。他們將學會用科學的眼光看待世界，用科學的方法解決問題。同時，他們也將樹立正確的科學態度，培養勇于探索、敢于創新的精神。這將為他們未來的學習和職業發展奠定堅實的基礎。

兩個探究實驗用Phyphox中的磁力計代替小磁針進一步探究奧斯特實驗，這種實驗方法不僅取材簡便，而且實驗現象更為直觀、可視性強，使學生能更深入地理解奧斯特實驗的核心內容。同時，利用手機這一現代科技產品作為實驗器材，不僅展現了新技術在傳統物理實驗中的融合應用，而且有效促進了學生創新意識和科學探索能力的培養與提升，豐富了學生的物理學習體驗，也為他們未來的科學探索之路奠定了堅實的基礎。

（作者單位：聊城大學物理科學與信息工程學院）