磁力片的小奧秘

陳偉孟

（中國人民大學附屬中學，北京 100080）

磁力片的小奧秘

陳偉孟

（中國人民大學附屬中學，北京 100080）

磁力片玩具具有千變?nèi)f化功能，其關鍵源自旋轉(zhuǎn)磁力棒的巧妙物理設計，在此對磁力片玩具的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和物理原理進行分析，也對中學物理、綜合實踐、研究性學習等課程中相關知識的學習和應用具有一定的參考作用.

磁力片；旋轉(zhuǎn)磁力棒；物理原理

近年來市面上有一種極其暢銷的積木式兒童玩具，叫磁力片.磁力片玩具通過磁性片單元之間的相互吸引作用，可以輕松構(gòu)建出各種各樣的二維平面圖形，以及三維立體造型，如圖1所示.這種玩具主要是由多個不同的磁力片及配件構(gòu)成，有三角形、方形、菱形、扇形等等，用這些基礎形狀可以拼出無數(shù)的精彩造型，極具豐富的變換功能.磁力片有助于幼年兒童認識幾何造型和各種顏色，認識空間結(jié)構(gòu)，培養(yǎng)其空間思維、動手能力和創(chuàng)新能力.

磁力片最主要是依據(jù)磁性材料的同名磁極相斥、異名相吸的原理來制作的.要方便幼兒能組裝成更復雜的圖形或結(jié)構(gòu)，在組合磁力片時幾乎沒有相互排斥的感覺，幾乎兩兩之間都是相互吸引的，這又是如何做到的呢？原來，單片的磁力片都是由有幾何圖形的塑料材料和若干旋轉(zhuǎn)磁力棒內(nèi)外組合而成的.如圖2（a）所示，塑料幾何圖形結(jié)構(gòu)的某一邊內(nèi)部都有一圓柱狀空間，該存儲空間形態(tài)與磁力棒相似，但體積略微大于磁力棒，這樣可將磁力棒置于該塑料內(nèi)部空間中而不限制其軸向的轉(zhuǎn)動.更為設計精妙的是，磁力棒的南北極并非棒的軸向兩端，而是垂直于軸向的某一徑向兩側(cè)，如圖2（b）所示.正是通過這種結(jié)構(gòu)設計，磁力棒只是被限定于該圓柱空間中，而不是固定于片狀結(jié)構(gòu)上，因此可以根據(jù)受力情況沿著圓柱軸向旋轉(zhuǎn)的.當有磁力片靠近時，若不是異名磁極，則磁力棒會立刻旋轉(zhuǎn).如果磁性的南北兩極是位于棒的兩端的話，則相互靠近時相互排斥就會有一半的概率，當更多個磁力棒相互靠近時就不容易吸到一起了.所以將磁力棒的磁極置于磁力棒沿著圓柱徑向的左右兩側(cè)，使得任意磁力片相互靠近時，內(nèi)部的圓柱都能迅速轉(zhuǎn)動，表現(xiàn)出相吸的特性，這正是該玩具對物理知識的匠心獨運之處.

圖1 磁力片三維造型圖

圖2 磁力片內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

磁力片這種立意新穎的小玩具，綜合了物理學中磁性知識的理解和應用，不管是物理教學還是現(xiàn)今STEAM教育所倡導的基于項目實現(xiàn)學科知識融合的觀點都很契合.磁力片玩具本身具有了一定的探究性，結(jié)合了科學原理和物理探究，更可作為STEAM教育的工程制作、技術(shù)運用或?qū)嶒炋骄康挠幸嫜a充，豐富中學教學的實驗素材.而且，基于核心素養(yǎng)的新課程建設需要教師和學生積極創(chuàng)造條件，主動開發(fā)課程資源，形成更為豐富多彩的課程.

1 王丹鳳.對“磁性類科學玩具”課程化的研究［J］.物理通報，2009（11）：7－10.

2 吳彬彬，李琴.用磁力棒玩具驗證磁場的疊加法則［J］.物理教學探討，2015（8）：59－63.

3 普通高中課程標準實驗教科書物理選修3－1［M］.北京：人民教育出版社，2014.

2017－01－21）

本文系北京市海淀區(qū)“十三五”2016年度教育科學規(guī)劃課題“基于核心素養(yǎng)的中學物理概念建模教學研究”（編號：HDGH20160231）階段成果之一.