對磁場分布演示實驗的改進

摘?要：在高中物理教學中，存在很多抽象概念，學生理解起來非常困難。磁感線就是其中的代表，由于磁感線并非真實存在，只是虛構出來以描述磁場的，學生對磁感線及磁場中磁感線分布規律難以理解。本文旨在通過對課本上磁感線演示實驗進行改進，使他們能夠對磁感線有一個直觀的印象，更好理解磁場中磁感線分布規律。

關鍵詞：磁感線;磁場分布;演示儀

物理學是一門自然科學，它是以研究自然規律為基礎的，像物體的運動類型規律都是從實踐中得出來的，所以必須以實驗為基礎，物理實驗教學是物理的重要手段和基礎，有效的物理教學是實驗和理論一同進行的。《高中物理課程標準》指出：“實驗室的課程資源不僅限于實驗室的現有設備，學生身邊的物品和器具也是重要的實驗室資源”。事實上，人們早都意識到對這種資源的有效利用，并且把這種低成本材料，如廢舊的生活物品，學習用具，廢棄材料用到實驗中，制作各種實驗模型或者是演示儀器。在日本和歐美等發達國家中，現代教育技術水平較高，但他們也會用這些材料來做研究。30多年前，朱正元老教授提出“壇壇罐罐當儀器，拼拼湊湊做實驗”的至理名言。然而在農村實驗儀器缺乏，按照大綱要求去讓每一個學生參與實驗每一個實驗很難做到，長期下來學生的實驗動手能力弱，這就決定了農村物理實驗教學和城市學校的不同。所以這里我們采用身邊的資源設計實驗，讓學生帶著自己的思想去做實驗，降低實驗，操作簡單，生動有效，讓每一個學生帶著思想參與到試驗中，培養學生的創新能力，激發學生的學習興趣。

“磁場分布演示儀”是指通電導線（直導線，線圈，螺線管）周圍磁場分布的演示儀器，物理教學中常常采用小磁針來可以知道磁體周圍某一點的磁感應強度方向，通過反復多次，可以畫出磁體周圍磁場的分布圖像，這樣操作復雜，還有不確定性。我們通過做一種磁場分布演示儀，用透明玻璃或者塑料制造一個鐵粉盒，里面裝的鐵粉末，中間兩個小孔，然后用電源，通電導線，開關，滑動變阻器，等元件組成一個閉合回路，（1）將通電導線插入小孔，閉合開關，我們發現磁粉組成閉合回路。就可以清晰描述出通電導線周圍磁場的分布。（2）將通電線圈分別在兩端插入小孔，閉合開關，通過鐵粉的分布就可以描述周圍磁場的分布。以上兩個實驗中，通過調節滑動變阻器就可以看到磁場的變換，從而引導學生，那么周圍的導體中形成渦旋電流，從而讓學生在具體實驗中感受到電磁輻射，在生活中盡量遠離輻射源。

一、 磁場分布演示實驗現狀

（一） 小磁針演示實驗

在中學物理教科書上，如圖1我們是通過在磁鐵周圍各個點放置小磁針的方法來顯示各點的磁場方向，再將各點連成磁感線描述磁場分布。這樣的演示實驗只是學生能夠直觀地觀察到某些位置的磁場分布，對于其他各個地方的磁場，我們沒辦法觀察到，所以這個演示實驗具有一定的局限性。

（二） 鐵屑演示實驗

如圖2是鐵屑演示實驗，它是利用質量較輕的鐵屑受磁場吸引形成磁感線來表述磁場分布的方法。其實驗步驟一般為：將條形磁鐵上面放一塊玻璃，在玻璃上均勻地撒一些鐵屑，把磁鐵放在玻璃板下方，輕輕地敲擊玻璃，我們會看到鐵屑形成了磁感線的形狀。通過該實驗我們可以大概的觀察到磁體周圍磁場的強弱，但是具體磁場的方向沒辦法從本實驗中觀察到，所以該實驗的演示具有局限性。

（三） 磁場分布演示儀

如今中學物理教學中出現了如圖3所示的磁感線立體演示模型，并在淘寶上得到了大量的銷售。相比上面提到的傳統方法，這個模型由支架上固定的6個小磁針演示板組成，小磁針在磁場內發生偏轉，顯示出磁鐵周圍的磁感線分布。

二、 對磁場分布演示實驗的改進

（一） 當前磁場分布演示實驗的缺陷

綜合對現階段中學磁感線立體展示實驗以及教具模型的研究，我們可以發現，目前對磁感線這個抽象物體的表述還存在很多問題。

最普遍的小磁針演示實驗，是教材上的演示方法，沿用了很多年，理論上能夠測量空間中任意點的磁場方向，但也存在著非常明顯的缺陷，如果想構成一條磁感線，就要對這條線上的所有點的磁場方向進行測量，而想表述空間內的磁場分布，更是需要對空間內的所有點進行測量。這種方法需要進行大量重復性的工作，效率非常低下，并且需要學生利用空間想象力將各點的磁場方向構成磁場分布圖像。對很多學生來講，這是一個非常困難的事情，所以演示效果比較差。

鐵屑法是小磁針演示實驗的改進，能夠表達平面上的磁感線分布。但這種方法只能演示磁感線的形狀分布，并不能表示磁場方向。而且受限于水平面，不能對立體空間內的磁感線分布進行表述。

第三個模型，能夠讓學生直接觀察磁感線的立體分布，相比前兩種方法有了很大的改進。但從細節上看，這種方法還不夠嚴謹。一是它采用了6個固定平面來描述磁場的空間分布，但是理論上空間內能夠存在無限多個平面，6個平面表述磁場分布的做法說服力還不夠，二是這個模型雖然采用了小磁針的原理，但是并沒有標注磁極，導致磁場方向無法判斷。三是受限于模型的結構，僅能演示條形磁鐵、U形磁鐵周圍的磁場分布，對通電導線、通電螺線管等的磁場分布并不能進行演示。

（二） 對磁場分布演示實驗的改進

相比較而言，第三個模型實驗效果最直觀，并且在淘寶等平臺上開展了商用，只要解決了提出的三個缺陷，就能取得更好的效果。解決6個平面描述磁場空間分布說服力不夠的問題有兩種方法：一是增加平面的數量，盡可能多的平面就能更準確地去描述磁場的空間分布。但這種方法屬于治標不治本，空間內存在無限多個平面，而模型的平面之間總存在間隙，仍然存在不嚴謹的問題。而且過多的平面及小磁針的使用會使演示效果大打折扣，觀察起來很不直觀。二是對模型基座進行改進，使平面能夠在空間內進行轉動。這樣要觀測空間內任意平面的磁場，只需將平面轉動到相應的位置就行了，不影響演示的效果。這個方法的另一個好處是能夠同時解決通電線圈、通電螺線管等周圍的磁場分布演示問題。而解決磁場方向的問題，只需按照規定在小磁針N極、S極涂上相應的顏色即可。為了演示效果的直觀性，筆者對此進行了一個小小的改進，在小磁針上使用紅色的箭頭來表述磁場的方向。

對磁場分布演示實驗的改進是指立足于新課程改革背景、以物理教科書知識為基礎、以提高學生學習興趣為目的的創新型實驗。新課程教學要求理念的更新，教學方式的變革，然而要達到有效的變革就必須通過具體的課堂教學來實現。物理實驗教學能夠使物理知識的獲取變得生動有趣，形象直觀。然而農村高中實驗儀器少，教師在上課時又主要進行演示實驗或者驗證性實驗，學生的參與度很低，不能激發學生的學習熱情。因此在物理教學中靈活的運用探究性趣味實驗，是激發學生學習興趣，發揮學生主觀能動性，全面提高學生綜合素質的必然選擇。

對磁場分布演示實驗的改進是指利用學生身邊的低成本原料（學習用品、生活用品、廢舊物品等）設計的物理實驗，具有費用低廉、取材方便、效果明顯、安全可靠等特點。它不僅能彌補農村高中實驗資源匱乏的不足，對于提升學生的綜合實踐能力，也具有獨特的推動作用。推行低成本物理實驗，是從根本上改善農村高中物理實驗教學薄弱現狀的有效手段。

實驗是物理學探索新規律、獲取新知識的基本方法，是物理教學中不可或缺的一環。各種類型的實驗，具體形象地展示了物理知識的形成和發展過程，能幫助學生理解如磁場、電場等抽象的概念。實驗的設計過程又能為學生分析解決實際問題提供思路和方法。在實驗的實施過程中，還能提高學生的實踐能力，使他們養成嚴謹求實的學術作風。因此，提高物理實驗教學質量對提升高中物理教學的效果具有不可替代的重要作用。本課題旨在通過在農村中學開展物理趣味實驗，吸引每一名學生主動參與到實驗中來，達到普及物理實驗教學，提高物理教學質量、激發學生學習興趣、提高學生綜合素質的目的。

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作者簡介：

楊志娟，甘肅省白銀市，甘肅省白銀市會寧縣第一中學。