空间磁感线分布演示实验装置的制作尝试

    吴开拓

    摘 要：以空间磁感线分布演示实验为对象，发现了现行演示实验均存在空间磁感线分布的演示效果问题。进行了相关教具的改进，完成教具制作，形成较好的演示效果。补充了中学物理磁感线分布演示实验教学的教学方式。

    关键词：演示实验; 空间磁场分布; 自制教具

    中图分类号：G633.7 ? ? ? ? ? ? 文献标识码：A ? ? 文章编号：1006-3315（2020）2-011-002

    一、研究背景

    磁现象是中学物理探究的基础问题之一，各省市不同版本的教材所设置的相关实验均存在不足，无法展示空间磁场分布。初中阶段的学生对磁现象仅仅停留在磁能吸铁这些。磁感线是磁现象知识的基础，相关知识在物理知识体系中具有重要地位，但教材内容长期缺少变革，尤其是空间磁场安排上较为匮乏。学生在此年龄阶段正由具体形象思维向抽象逻辑思维过度的重要阶段，其抽象逻辑思维迅速发展，但仍旧不够成熟，仍然需要一定的具体形象来支撑。本文提供了一种展示磁感线的自制教具的制作思路，并尝试制作。

    二、教材分析

    1.《苏教版初中物理》现状分析

    先通过活动让学生将小磁针放在条形磁体周围，再根据指针方向来指示磁场方向。再通过两种实验方法进一步说明。

    两种方法能将磁场大致具象化，大致表现磁感线的分布，并根据铁屑的疏密度来大致描述磁场强弱的分布，但无法展示磁场的空间分布。

    2.《浙教版初中科学》现状分析

    采用了小磁针法和铁屑法，通过在磁体周围铺上铁粉，轻轻敲一下玻璃板，铁粉逐渐改变分布，显示大致的磁场分布。不同于《苏教版》，《浙教版》在小磁针法时，将多个磁针同时摆在磁体周围，而非先后顺序;在铁屑法时并没有用小磁针进行验证，但课本配图中补充了马蹄形磁铁的磁场分布状况。

    3.《人教版初中物理》现状分析

    依然用小磁针法与铁屑法来表示磁场的分布，但只展示马蹄形磁体的磁场分布。因此，仍然存在空间磁场分布不明的问题。

    4.《上教版初中物理》现状分析

    不同于其他三本教材，《上教版》提到了磁场的空间分布状况，但仅仅提供了空间磁场分布的模型。

    三、自制教具

    1.思路改良

    各版本教材仅《上教版》提及了“空间磁场分布”的相关内容。这依然是一个易让学生混淆的问题，因此可基于“空间磁场可视化”的思路来优化相关实验，设计教具。

    2.材料选择

    教具材料的选择应当遵循科学性原则，避免实验展示过程中出现各种问题，还应遵循经济性原则，同时应当便于保存与携带，展示效果直观，有利于学生观察學习，教具操作应简便，有利于实际课堂教学。

    （1）磁体。磁体选用磁力较强的铷磁铁，经济。同时通电螺线管也是不错的选择。（2）硅油与氧化还原铁粉。在空气中，铁粉受到重力作用，不能漂浮在空中，因而不足以表现空间磁场的具体分布。同时，铁粉在空气中易受到空气的氧化作用，从而减小磁性。而硅油有着较好的黏性和密度，足以使铁粉在其中悬浮，同时硅油能够阻绝空气。（3）模具。在硅油外，用长方体有机模具进行包裹。

    3.教具模型设计

    基于以上的设计思路与材料，制作了如下的教具模型：

    （1）双磁体。将磁体放入相对应的两侧，可用于观察多种磁现象。可选长方体磁体、圆柱体磁体与通电螺线管等多种磁体。

    [①]同名磁体与异名磁极间空间磁场分布。[②]不同形状的磁体的同名及异名极磁场分布，如长方体与圆柱体磁体。（2）单磁。用于观察单磁体在空间中的分布，也可用于观察移动磁体的磁场分布变化，可选用长方体磁体、圆柱形磁体和通电螺线管等多种磁体。

    四、成果与展示

    本文着力于双磁体展示与单磁体展示教具进行尝试制作。

    1.单磁体空间磁感线分布展示教具的制作

    1.1教具制作。确定好模具尺寸，并绘制相关模型。通过小开口，用注射器将硅油注入，填满模型，并轻轻拍打模型并静止，待空气溢出。将铁粉进行充分研磨，获得更小的铁粉颗粒。向模型中加入少量铁粉，观察铁粉在硅油中的悬浮运动情况。再在通道中加入铷磁铁，观察铁粉在硅油中的运动情况。将磁体取出，不断加入铁粉，再放入磁体进行模拟，直至铁粉能够大致的模拟磁场分布形状为止。取出磁体，将小开口封死。教具完成。

    1.2效果展示。开口封死后，将模型中铁粉摇匀，在通道中加入磁体。铁粉在空间中按照一定规则排列，能够大致模拟圆柱形磁体在空间中的磁场分布状况，两头较为密集，中间较为稀疏。同时，磁体可以在通道中运动，用于观察运动磁体的磁场变化状况。也可用通电螺线管代替磁体，用以展示通电螺线管的空间磁场分布状况，探究通电螺线管的相关性质。

    2.双磁体空间磁感线分布展示教具的制作

    2.1确定好模具尺寸，并绘制相关模型图。按尺寸将亚力克板切割，并用亚力克胶水将各面黏住。通过小开口，用注射器将硅油注入，填满模型，轻轻拍打模型并静止，待空气溢出。向模型中不断加入铁粉，放入双磁体进行相斥、相吸模拟，试验多次，直至铁粉能够大致的模拟磁场分布形状为止。取出磁体，将开口封死。教具完成。

    2.2效果展示。当插入两个磁极时，磁体会出现相斥与相吸两种状况。可用于观察两磁体相吸的空间磁场分布状况。利用双磁体教具磁体，可观察相斥与相吸两种状况时，空间中两磁体的空间磁场分布状况。

    五、总结

    本研究设计并制作了空间磁感线分布演示装置，用于具象空间磁场。虽然完成了教具的初步建构，但仍存在不足，还需不断完善。

    在制作教具的过程中，仍存在两点不足。1.加入的铁粉仍过细，导致磁场分布模拟不够细致，虽采用了氧化还原所用的铁粉并进行充分研磨，但仍不能完全满足教具制作的需要。2.油的黏度仍偏大，使磁场分布不够细致，磁场较弱的磁体中部成像不明显，仍需探索更佳粘度的硅油。

    参考文献：

    [1]韦淑敏.自制教具在初中物理教学中的实践研究[D]天津师范大学，2012

    [2]张宝瑞.高中电磁学可视化教学实践[D]内蒙古师范大学， 2015