高革利

【摘要】初中物理教學(xué)中關(guān)于電磁學(xué)的學(xué)習(xí)內(nèi)容非常簡(jiǎn)單，但不可忽視的是電磁學(xué)在當(dāng)今科技進(jìn)步中發(fā)揮的作用，電流周圍存在磁場(chǎng)，如何將這個(gè)磁場(chǎng)加強(qiáng)？一種方法是將導(dǎo)線做成螺線管。但現(xiàn)在在初中物理教學(xué)中，大多數(shù)關(guān)于螺線管磁性強(qiáng)弱的實(shí)驗(yàn)室表征是通過磁體本身的具有吸引鐵、鈷、鎳等的性質(zhì)，即用螺線管去吸引大頭針或曲別針，通過它們的個(gè)數(shù)來(lái)表征螺線管的磁性強(qiáng)弱。但在實(shí)驗(yàn)室中很多時(shí)候該實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象并不是很明顯，本文則是從另一個(gè)角度出發(fā)，通過磁極間的相互吸引或排斥的效果來(lái)表征螺線管的磁性強(qiáng)弱。

【關(guān)鍵詞】螺線管 磁性 磁極間的相互作用

【中圖分類號(hào)】G633.7 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】2095-3089（2018）14-0242-02

1820年丹麥科學(xué)家奧斯特在一次偶然的情況下發(fā)現(xiàn)了，在接通電流時(shí)，導(dǎo)線附近的小磁針忽然轉(zhuǎn)動(dòng)了一下，裝置如圖1a，這一轉(zhuǎn)動(dòng)說(shuō)明了電流的周圍存在磁場(chǎng)。安培利用右手定則總結(jié)出了通電直導(dǎo)線周圍的磁場(chǎng)方向和電流方向的關(guān)系如圖1b。也是這一轉(zhuǎn)揭開了電磁學(xué)領(lǐng)域的序幕。為了將通電直導(dǎo)線周圍的磁場(chǎng)加強(qiáng)，采用了方法——增大電流，但由于條件限制，電流不能一直增大。隨著進(jìn)一步的研究，人們發(fā)現(xiàn)將直導(dǎo)線做成線圈如圖2，根據(jù)安培定則1線圈的磁場(chǎng)是各段通電導(dǎo)線磁場(chǎng)的疊加，因此磁場(chǎng)得到了增強(qiáng)，這就是螺線管，因此改變線圈匝數(shù)可改變螺線管周圍的磁場(chǎng)強(qiáng)弱。如果將螺線管中插入軟鐵棒，螺線管的磁性會(huì)進(jìn)一步加強(qiáng)，插入軟鐵棒的螺線管即為電磁鐵，在當(dāng)今社會(huì)中的很多領(lǐng)域都擔(dān)任著重要角色。

物理是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科，脫離實(shí)驗(yàn)只是將知識(shí)傳授給學(xué)生就偏離了物理學(xué)習(xí)的本質(zhì)。我們要傳授給學(xué)生們的應(yīng)該是研究的方法和技能，即如何根據(jù)生活現(xiàn)象提出問題、分析問題、涉及實(shí)驗(yàn)解決問題的能力。因此，在課堂上一定要設(shè)計(jì)足以說(shuō)明問題的演示或?qū)W生實(shí)驗(yàn)為知識(shí)載體。對(duì)于“研就影響螺線管磁性強(qiáng)弱因素”的實(shí)驗(yàn)中，自變量顯然有電流大小、線圈匝數(shù)、是否有鐵芯，很容易實(shí)現(xiàn)改變和控制，但因變量“螺線管磁性強(qiáng)弱”的表征大多數(shù)實(shí)驗(yàn)利用了磁體具有吸引鐵、鈷、鎳等物質(zhì)的性質(zhì)，即通過吸引大頭針或曲別針的個(gè)數(shù)來(lái)表征，如圖3裝置，調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器通過觀察某一螺線管能吸引大頭針的數(shù)目來(lái)研究螺線管磁性強(qiáng)弱與電流大小的關(guān)系；通過對(duì)比兩螺線管下方能大頭針數(shù)目研究螺線管磁性與線圈匝數(shù)的關(guān)系；保持電流不變，對(duì)比同一螺線管加鐵芯前后能吸引大頭針的數(shù)目來(lái)研究螺線管磁性強(qiáng)弱與是否有鐵芯的關(guān)系。但在實(shí)驗(yàn)室中很多時(shí)候該實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象并不是很明顯，具體為一方面大頭針或曲別針個(gè)數(shù)變化不是十分明顯，另一方面大頭針或曲別針作為演示實(shí)驗(yàn)的話可視性效果不好。

實(shí)驗(yàn)部分：為了解決上述兩個(gè)問題，我在研究加鐵芯是否增強(qiáng)螺線管磁性的實(shí)驗(yàn)中，從磁體磁極間的相互作用，即同名磁極相互排斥、異名磁極相互吸引的角度出發(fā)，通過螺線管的磁極和磁體磁極的相互吸引或排斥來(lái)表征因變量螺線管的磁性強(qiáng)弱。

設(shè)計(jì)1：實(shí)驗(yàn)器材：螺線管、鐵釘、電源、導(dǎo)線、開關(guān)、大號(hào)磁針

實(shí)驗(yàn)步驟和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：①按照?qǐng)D4組裝電路；②閉合開關(guān)，將沒有插入鐵釘?shù)穆菥€管至于距離磁針的N極d處，發(fā)現(xiàn)二者緩慢吸引；③斷開開關(guān)，將鐵釘插入螺線管，其它裝置不變，閉合開關(guān)再次將螺線管放置與距離磁針N極d處，發(fā)現(xiàn)二者的吸引作用比上一次加大。分析：吸引加快說(shuō)明了螺線管的磁性增強(qiáng)，但這個(gè)結(jié)論科學(xué)嗎？出現(xiàn)這樣的想象是因?yàn)槁菥€管磁性增強(qiáng)根據(jù)異名磁極相互吸引的效果，還是由于在第一次實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上增加了磁針和鐵釘間的吸引力的效果呢？為了能得到有力的證據(jù)來(lái)證明這一點(diǎn)，我將上述實(shí)驗(yàn)中電源正負(fù)極對(duì)調(diào)再重復(fù)一次，得到了沒有插入鐵芯時(shí)螺線管和磁針緩慢排斥，插入鐵芯后二者排斥作用增強(qiáng)。如果第一組實(shí)驗(yàn)中吸引作用的增強(qiáng)是因?yàn)榇裴槍?duì)鐵釘?shù)奈饔?，則在第二組實(shí)驗(yàn)中加鐵芯后排斥作用應(yīng)減弱。因此通過同名磁極相互排斥，充分得到了加鐵芯能使螺線管磁性增強(qiáng)的結(jié)論。該實(shí)驗(yàn)比較直觀，從另一個(gè)角度引發(fā)學(xué)生思考，拓展對(duì)已有知識(shí)的整合，審辨式思維能力、分析問題的能力、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的能力得到提高。但本實(shí)驗(yàn)對(duì)于用“緩慢”“快速”吸引或排斥的效果表征螺線管磁性強(qiáng)弱對(duì)于數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確描述方面存在不足。

設(shè)計(jì)2：實(shí)驗(yàn)器材：大號(hào)磁針、細(xì)線、螺線管、鐵釘、電源、開關(guān)，表面貼有白紙豎放平板；實(shí)驗(yàn)步驟：①將大磁針用細(xì)線系住中間，懸吊于書房平板所在平面，斷開開關(guān)如圖5組裝實(shí)驗(yàn)裝置，并在平板白紙上描出細(xì)線軌跡；②閉合開關(guān)，穩(wěn)定后描出此時(shí)細(xì)線軌跡，并測(cè)出偏離豎直方向的夾角θ1記錄，斷開開關(guān)；③將鐵釘插入螺線管，其余裝置不動(dòng)，閉合開關(guān)，描出此時(shí)細(xì)線軌跡，并測(cè)量出偏離豎直方向的夾角θ2記錄，斷開開關(guān)。

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和結(jié)論：磁針和螺線管相互排斥，且發(fā)現(xiàn)θ2>θ1，說(shuō)明螺線管加鐵芯后磁性得到了增強(qiáng)。實(shí)驗(yàn)中這種表征螺線管磁性強(qiáng)弱的方法不僅將數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和精確度提高了，而且也將數(shù)據(jù)的可視化程度擴(kuò)大了，這樣的表征也依然可用于研究螺線管磁性強(qiáng)弱與電流大小、線圈匝數(shù)多少的關(guān)系實(shí)驗(yàn)中。這種轉(zhuǎn)換表征還可以為高中學(xué)生不在同一直線上的三力合成與分解的計(jì)算提供模型。

總結(jié)：磁性強(qiáng)弱可以從磁體本身具有吸引鐵、鈷、鎳等物質(zhì)的性質(zhì)的角度進(jìn)行轉(zhuǎn)換表征，也可從磁極間相互作用——同名磁極相互排斥、異名磁極相互吸引的角度進(jìn)行轉(zhuǎn)換研究。本實(shí)驗(yàn)則是從第二個(gè)角度進(jìn)行轉(zhuǎn)換將數(shù)據(jù)和現(xiàn)象優(yōu)化。

參考文獻(xiàn)：

[1]趙凱華，陳熙謀.電磁學(xué)[M].北京：高等教育出版社，1978

[2]張三慧.大學(xué)物理學(xué)·電磁學(xué)[M].北京：清華大學(xué)出版社，1999

[3]林德煌. 通電螺線管的磁性強(qiáng)弱演示器[J].天津教育，1993，（04）：37

[4]毛世鈐，敖建蓉.研究螺線管磁性演示實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)[J].教學(xué)儀器與實(shí)驗(yàn)，1993，（05）：9.

[5]吳迪.學(xué)生自制教具對(duì)于學(xué)習(xí)效果影響的實(shí)踐研究[D].天津：天津師范大學(xué)碩士學(xué)位論文，2013.

[6]車洪延.捕捉意外發(fā)現(xiàn) 成就實(shí)驗(yàn)教學(xué)之美[J].山東教育，2017，（07）：55