自制教具：電池磁力小火車

羅 慧

(浙江省衢州市紫港中學,浙江 衢州 324200)

自制教具：電池磁力小火車

羅 慧

(浙江省衢州市紫港中學,浙江 衢州 324200)

本文闡述了“電池磁力小火車”教具的制作背景,方法及應用．

自制教具;安培力;實驗改進

1 教具制作的背景

人教版3-1磁場這一章中涉及磁場力作用的實驗有:奧斯特小磁針的偏轉;通電導線在磁場中受到的力;平行通電導線之間的作用力．[1]能直觀判斷電流對磁鐵作用并使磁鐵動起來的實驗幾乎沒有．

圖1

在視頻“‘牛人’制作的‘電池磁力小火車’”中,[2]磁鐵和電池一起在彎曲的線圈中運動,筆者將該實驗引入課堂,用以展示通電導線對磁鐵的作用力．但發現在實驗過程中存在以下幾個問題:由于線圈比較軟,在搬動過程中容易變形,影響電池和磁鐵的運動;線圈與空氣長時間接觸,表面形成不導電的氧化膜影響實驗效果;線圈只能平放在桌面上學生不易觀察．筆者制作、改進的教具“電池磁力小火車”既方便攜帶也便于學生觀察,符合自制教具直觀性,啟發性,科學性和簡明性的原則．[3]教具實物如圖1所示．

2 教具的材料及制作

2.1 材料

5號電池一個;直徑16 mm長度10 mm圓柱形強磁鐵兩個;內徑22 mm厚度1.5 mm,內徑15 mm厚度1 mm有機玻璃管各一根,長度為80 cm;直徑1 mm銅線;厚度為5 mm亞克力板制作的底座．

2.2 制作步驟

繞制線圈:將直徑1 mm的銅線在內徑為15 mm的有機玻璃管上繞制1段長度為70 cm的線圈,要求線圈間隙基本一致．若用漆包線繞制,需用去漆劑去除表面絕緣漆．將繞制好的線圈從玻璃管上取下并放入22 mm內徑的有機玻璃管內部．

圖2 亞克力支架模型

底座按照圖2尺寸將亞克力板用專用膠水進行粘合．

3 實驗操作

實驗時可以直接手持玻璃管,也可將玻璃管放在支架上進行演示．

圖3

保持玻璃管水平,將兩個強磁鐵按相互排斥的方向分別吸在電池的正極和負極,即電池的正負極與兩個磁鐵的同一極接觸．將安裝好的電池輕輕放在線圈的一端,電池便可自動穿過線圈到達另一端,如圖3所示,如果感覺明顯阻力,可以將電池正負極調轉方向后重新放置．

實驗完成后將之前用以繞制線圈的內徑15 mm的有機玻璃管放入線圈內部,并在教具兩端用直徑約為25 mm的飲料瓶蓋封上,減少與銅絲直接接觸的空氣,減緩銅絲氧化,使教具可以長久保存與使用．

4 實驗原理

從微觀角度來看,可以將條形磁鐵的磁場等效的看成是由分布在磁鐵側面的等效環形電流產生,通電螺線管產生的磁場對等效環形電流有安培力的作用．[2](見圖4)

圖4

從宏觀角度講是因為磁鐵在受到通電導線所受安培力的反作用力下運動．當磁鐵與導線接觸時,構成了正極—磁鐵—導線—磁鐵—負極的回路如圖5所示．對其中的任意導線AA′BB′分析,導線A,A′受到的安培力為F,F′它們的分力F1,F1′水平向右,同理B,B′受到的安培力分力F1,F1′方向也向右(圖6)．根據牛頓第三定律,兩磁鐵受到的磁力方向向左,因此磁鐵和電池一起向左運動．

圖5

圖6

5 教具的應用

5.1 應用1:作為“磁場磁現象”的引課

例1.教師先將單獨的1節電池,放入線圈．此時學生觀察不到任何現象,并會對教師的行為產生疑問．然后再將兩個物體(強磁鐵)分別吸在電池的兩端,可以看到,電池帶著物體一起穿過線圈,學生驚訝之至極,教師適時提出問題:“猜一猜能夠讓電池能在線圈中動起來的兩個物體是什么?為什么會有這樣的現象?”引入新課．

利用新奇的實驗,通過強烈的認知沖突,激發學生求知欲望,再根據由淺入深的課堂教學,從磁場入手最后闡述其原理,幫助學生掌握磁場的概念,提高學生科學思維能力．

5.2 應用2:作為習題課演示實驗

圖7

例2.如圖7所示,一條形磁鐵放在水平桌面上,在它的正中央上方固定一直導線,導線與磁鐵垂直,若給導線通以垂直于紙面向里的電流,則磁鐵對桌面的壓力怎么變?[5]

圖8

解析:磁鐵的磁感線在它的外部是從N極到S極,因為長直導線在磁鐵的中央上方,所以此處的磁感線是水平的,電流的方向垂直于紙面向里,根據左手定則,導線受磁鐵給的“安培力”方向豎直向上,如圖8所示.導線是固定不動的,根據物體間力的作用是相互的,導線給磁鐵的反作用力方向就是豎直向下的，因此磁鐵對桌面的壓力增加．

學生對該問題的分析往往對導線受到的安培力比較熟悉,而不容易想到磁鐵受到導線的磁力作用,該力是導線所受安培力的反作用力,容易出錯．針對這樣的情況筆者在講到這道題目的時候,先演示“磁動力小火車”實驗并讓學生思考其原理,在直觀認識到安培力的反作用力讓磁鐵運動的知識基礎之上,再讓學生解決這道習題,效果很好,基本都能做對．通過實驗,轉換思維,為學生搭建思維的手腳架,讓學生搭上實驗的翅膀,增強了感性直觀認識有利于提高學生解決問題的能力．

6 結束語

筆者在市優質課及自制教具比賽中展示該實驗,受到了評委的一致好評,也明白了教師在課堂教學中不應只盯著教科書的實驗,而應該開拓眼界,善用網絡,提高自己的信息化水平才能發現更多有利于提高課堂效率的素材并通過改造成為適合課堂的教具．

1 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,2010.

2 閆峰.磁動力小火車的驅動原理[J].中學物理教學參考，2015(13):7-8.

3 任偉德.新時期自制教具的原則和特點[J].教育與裝備研究，2016(6)：17-22.

4 居漢明.轉換思維在習題教學中的滲透[J].理科考試研究，2013，20(9):28-29.

2017-03-12)