創新實驗探究通電螺線管的磁場空間分布

喬樹潔 徐國萍 任振穎

摘 要：磁場的空間分布對學生理解磁場及其性質具有重要作用.教學實踐證明，學生對磁場的前概念停留在表象及平面范疇，對磁場方向性和空間性理解不夠，而通過創新實驗器材可以使學生獲得生動的感性認識，在此基礎上對實驗現象進行科學分析和概括，進一步探究磁場的本質.本文結合探究通電螺線管外部磁場的規律和特點，應用創新性實驗器材進行磁場規律的探究.

關鍵詞：磁場;磁場空間分布;條形磁體;通電螺線管;實驗探究

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：B 文章編號：1008-4134（2021）08-0031-02

1 制作背景與創新點

1.1 實驗教學內容分析

探究通電螺線管外部磁場方向位于北師大版物理教材九年級第十二章第三節，是課標對于“運動和相互作用”部分內容提出的9個必做探究性實驗之一.同時，電流的磁效應也是學習電磁現象的重要基礎.本章的核心內容是建立電和磁之間的聯系，通過探究通電螺線管的磁場是在通電導線產生磁場的基礎上形成的，再次將電和磁統一起來，在電流產生的磁場方向和電流方向之間建立起聯系，進而總結規律.探究通電螺線管外部磁場方向是在已知磁場方向性和空間性的基礎上，類比條形磁體的磁場方向，再次加深對磁場的理解，為今后學習“場”這一空間概念奠定基礎，也是可持續發展的物理學習的必要基礎.

1.2 實驗教學價值分析

通過實驗將通電螺線管外部磁場的分布用小磁針進行顯示;將抽象的磁場直觀化，不僅能展示平面內磁場的分布特點，而且能展示360度空間范圍內磁場的分布特點，借此提高學生的空間感知效果，增強空間想象力，深刻體會“場”這一空間概念.通過觀察通電螺線管外部磁場的分布特點及條形磁鐵的磁場分布特點培養學生的觀察能力和獲取信息能力，并通過類比的方法科學推理出通電螺線管外部磁場的方向特點.進一步改變電流方向，再次觀察通電螺線管外部磁場分布特點，引導學生勇于質疑，并針對提出的問題設計實驗進行科學論證，最終得出通電螺線管外部磁場方向與電流方向有關.完成了活躍思維—主動探究—發現規律—解決問題的系列過程.本設計用實驗將抽象的自然規律與學生現有思維能力之間搭建起了一座橋梁，促使學生對科學概念規律的認識由感性向理性升華.

2 創新點

用不同平面內小磁針的分布和指向直觀展示空間看不見的磁場，滲透轉化的思想，將抽象概念直觀化.通過描述小磁針指向特點，逐步建立磁感線的模型.通過建立磁感線模型的過程，理解磁場和磁感線的區別聯系.用于觀察條形磁體、通電螺線管、電磁鐵的360度空間內磁場分布特點，探究磁場分布規律;建立磁感線的模型.

3 儀器結構及材料

3.1 結構圖及材料

（1）支架——用于固定和支撐磁體及旋轉板.材料為亞克力板（如圖1所示）.

（2）旋轉板——用于展示磁體周圍空間的某一平面（如圖2所示）.材料為亞克力板.

（3）磁針轉動軸——用于固定磁針支架.材料為銅絲.

（4）旋轉軸——用于連接旋轉板與磁體.材料為金屬桿.

（5）磁體放置區——用于放置磁鐵或通電螺線管.材料為PVC管.

（6）磁針支架和配重——用于固定小磁針，為小磁針支架在空間內自由旋轉提供動力.材料為塑料和橡皮泥（如圖3所示）.

3.2 實驗探究通電螺線管外部磁場方向實驗

3.2.1 實驗步驟

（1）將展示板調至水平，安裝調試小磁針，觀察記錄小磁針靜止時N極指向.

（2）安裝條形磁體，觀察小磁針變化，記錄小磁針靜止時N極指向，如圖4所示.

（3）在空間360度范圍內旋轉展示板，改變小磁針所在的平面，觀察空間各個平面內小磁針靜止時N極指向，并記錄下豎直平面內小磁針靜止時N極指向，再任選一個不同平面，記錄下豎直平面內小磁針靜止時N極指向，如圖5所示.

（4）當展示板再次旋轉至水平面時，卸下條形磁體.

（5）安裝螺線管，未接通電源，觀察小磁針指向分布.

（6）展示板調至水平位置時，接通電源，觀察記錄小磁針靜止時N極指向，如圖6所示.

（7）在空間360度范圍內旋轉展示板，改變小磁針所在的平面，觀察空間各個平面內小磁針靜止時N極指向，并記錄下豎直平面內小磁針靜止時N極指向，如圖7所示.再任選一個不同平面，記錄下豎直平面內小磁針靜止時N極指向.

（8）調換電源正負極，觀察記錄小磁針在豎直平面內靜止時N極指向，如圖8所示，當展示板再次旋轉至水平面時，斷開電源.

（9）分析數據，類比條形磁體，確定通電螺線管的N、S極.

（10）將小磁針N極的指向用箭頭畫出，用平滑的曲線沿著箭頭方向將通電螺線管的N、S極連接起來，即畫出磁感線，如圖9所示.

3.2.2 實驗結論

對比圖4和圖6通電螺線管外部磁場空間分布與條形磁體相似;對比圖6和圖8及任一平面內指針分布（未列出）通電螺線管外部范圍內磁場的方向都是從N極出發指向S極;對比圖7和圖8通電螺線管外部的磁場方向與電流方向有關.

4 教學反思

借助旋轉平面來描述磁場空間分布的想法來源于古代“被中香爐”，這一將抽象概念直觀化的演示方法，不僅能展示水平面內磁場的分布特點，還能夠展示360度空間范圍內磁場的分布特點，更是傳統文化影響現代教學的一種體現.提高了學生的空間感知能力和空間想象能力，促使學生對科學概念規律的認識由感性向理性升華.不足之處在于實驗器材的精細化程度和美觀度可進一步提高.

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（收稿日期：2020-11-30）