磁力片的小奧秘

陳偉孟

（中國(guó)人民大學(xué)附屬中學(xué)，北京 100080）

磁力片的小奧秘

陳偉孟

（中國(guó)人民大學(xué)附屬中學(xué)，北京 100080）

磁力片玩具具有千變?nèi)f化功能，其關(guān)鍵源自旋轉(zhuǎn)磁力棒的巧妙物理設(shè)計(jì)，在此對(duì)磁力片玩具的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和物理原理進(jìn)行分析，也對(duì)中學(xué)物理、綜合實(shí)踐、研究性學(xué)習(xí)等課程中相關(guān)知識(shí)的學(xué)習(xí)和應(yīng)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(lái)市面上有一種極其暢銷(xiāo)的積木式兒童玩具，叫磁力片.磁力片玩具通過(guò)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(gè)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(chǔ)形狀可以拼出無(wú)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(rèn)識(shí)幾何造型和各種顏色，認(rèn)識(shí)空間結(jié)構(gòu)，培養(yǎng)其空間思維、動(dòng)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(lái)制作的.要方便幼兒能組裝成更復(fù)雜的圖形或結(jié)構(gòu)，在組合磁力片時(shí)幾乎沒(méi)有相互排斥的感覺(jué)，幾乎兩兩之間都是相互吸引的，這又是如何做到的呢？原來(lái)，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(chǔ)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(dòng).更為設(shè)計(jì)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(guò)這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，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(dāng)有磁力片靠近時(shí)，若不是異名磁極，則磁力棒會(huì)立刻旋轉(zhuǎn).如果磁性的南北兩極是位于棒的兩端的話(huà)，則相互靠近時(shí)相互排斥就會(huì)有一半的概率，當(dāng)更多個(gè)磁力棒相互靠近時(shí)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(shí)，內(nèi)部的圓柱都能迅速轉(zhuǎn)動(dòng)，表現(xiàn)出相吸的特性，這正是該玩具對(duì)物理知識(shí)的匠心獨(dú)運(yùn)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(xué)中磁性知識(shí)的理解和應(yīng)用，不管是物理教學(xué)還是現(xiàn)今STEAM教育所倡導(dǎo)的基于項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)學(xué)科知識(shí)融合的觀點(diǎn)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(xué)原理和物理探究，更可作為STEAM教育的工程制作、技術(shù)運(yùn)用或?qū)嶒?yàn)探究的有益補(bǔ)充，豐富中學(xué)教學(xué)的實(shí)驗(yàn)素材.而且，基于核心素養(yǎng)的新課程建設(shè)需要教師和學(xué)生積極創(chuàng)造條件，主動(dòng)開(kāi)發(fā)課程資源，形成更為豐富多彩的課程.

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

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

3 普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書(shū)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(xué)規(guī)劃課題“基于核心素養(yǎng)的中學(xué)物理概念建模教學(xué)研究”（編號(hào)：HDGH20160231）階段成果之一.