小學(xué)科學(xué)教學(xué)中自制簡易磁力計的研究與應(yīng)用

胡方平

在教科版小學(xué)科學(xué)三年級下冊教材中，有一個關(guān)于磁鐵的單元，其中第3課講的是“磁鐵的兩極”，這節(jié)課的教學(xué)目標(biāo)之一是要讓學(xué)生知道磁鐵上磁力最強的部分叫磁極。為此，教材安排了“研究磁鐵什么地方磁力大”的實驗活動，通過在條形磁鐵上取五個不同部位分別懸掛回形針，記錄每個部位所能吸住回形針的最多個數(shù)，從而比較出磁鐵上什么部位磁力最強，進而認(rèn)識磁極這一概念。然而，這種實驗方法是存在問題的：第一，僅僅通過檢測條形磁鐵上五個部位的磁力大小就貿(mào)然得出磁鐵上什么部位磁力最強的結(jié)論是不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?，在學(xué)生還沒有掌握磁鐵磁性特點時，只有不間斷地檢測磁鐵每一個部位的磁力大小，才能真正得出磁鐵上什么部位磁力最強的結(jié)論。第二，學(xué)生在條形磁鐵上懸掛回形針時，條形磁鐵靠中間部位的回形針容易被磁鐵兩極吸引，不能很好地穩(wěn)定懸掛在檢測部位，實驗難度較大，學(xué)生不易操作。第三，這種方法需要學(xué)生小心地逐個增加回形針，耗時較長，因操作不當(dāng)而造成失敗的概率較高，效率低下。

為了克服現(xiàn)有教材中實驗方法的不嚴(yán)謹(jǐn)、操作難度大、耗時低效等問題，本文提供了一種簡易磁力計方案，用簡易磁力計對條形磁鐵各部位的磁力進行全面、快捷的檢測，使“磁鐵什么地方磁力大”的問題得到嚴(yán)謹(jǐn)、便捷、高效、低成本的解決。那么，這個簡易磁力計運用的是什么原理？怎樣制作呢？下面，我進行詳細(xì)介紹。

一、工作原理

我們在平時很容易觀察到這樣一種現(xiàn)象：把一個指南針放置在桌面上，指南針會慢慢靜止下來，指針指向南北方向，不管怎么放置，指南針總是指南北方向不變，這是指南針的特點。但當(dāng)我們拿出一塊磁鐵去靠近這個指南針時，會發(fā)現(xiàn)這個指針發(fā)生了偏轉(zhuǎn)，而且磁鐵離得越近，指針偏轉(zhuǎn)得越厲害。是什么原因改變了指南針指南北的特性，使指針發(fā)生了偏轉(zhuǎn)呢？那是因為指南針受到了地球磁場以外其他磁場的干擾，也就是靠近它的那塊磁鐵的磁場的干擾。又是什么原因使指針的偏轉(zhuǎn)幅度不同呢？那是因為指南針受到磁場干擾的強度不同，磁鐵離得越近，指南針受到磁場的影響越強，指針偏轉(zhuǎn)角就度越大。相反，磁鐵離得越遠(yuǎn)，指南針受到的磁場影響越弱，指針偏轉(zhuǎn)角度就越小。這一現(xiàn)象給了我啟發(fā)，指南針的偏轉(zhuǎn)不正好反映了磁場的強弱嗎？

那是不是使用指南針就一定能準(zhǔn)確指示出磁鐵各部位的磁力大小呢？為了能解決這個疑問，我又做了不同的實驗。這次找了一塊圓形的強磁鐵，厚度只有2毫米，通過對比普通鐵氧體條形磁鐵，發(fā)現(xiàn)它的磁性強得多。照理說，在和指南針距離相同的情況下，強磁鐵能使指南針的指針偏轉(zhuǎn)的角度更大。但實驗結(jié)果出人意料，磁性較弱的條形磁鐵反而容易使指南針指針發(fā)生較大偏轉(zhuǎn)，磁性很強的強磁鐵卻沒有使指針發(fā)生明顯偏轉(zhuǎn)。這一結(jié)果有點不可理解。其中原因是什么？為什么會這樣？然后我又嘗試改變磁鐵和指南針的距離，把磁鐵放在離指南針很近的地方，結(jié)果情況發(fā)生了逆轉(zhuǎn)，強磁鐵極大的干擾了指南針，指針偏轉(zhuǎn)到了極限，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過條形磁鐵的影響。

為何同樣兩塊磁鐵，只是因為和指南針的距離不同，實驗結(jié)果天壤之別呢？對此，我對這兩塊磁鐵進行了分析。鐵氧體條形磁鐵磁性較弱，但它較長，大約20厘米，圓形強磁鐵磁性很強，但很短，只有約O.2厘米。較長的條形磁鐵兩極距離遠(yuǎn)，磁力線是以大直徑的圓環(huán)分布的，作用距離遠(yuǎn)；而圓形強磁鐵兩極非常近，磁力線是以小直徑的圓環(huán)分布的，作用距離很近。這就解釋了為什么給人感覺磁性極強的圓形磁鐵離指南針較遠(yuǎn)時指南針幾乎感受不到它的磁場，而距離很近時，指南針又受到它極其強烈的干擾。這一點，也提醒我，指南針雖然能感受磁場的強弱，但它不能準(zhǔn)確感受遠(yuǎn)距離的磁場強度，必須近距離。這是因為指南針并不能隔空感受磁鐵的磁場強度，它能感受到的只是通過它自身指針上的磁力線的強度。這和在磁鐵上掛回形針一個道理，回形針是接觸磁鐵的，所以能反映出磁鐵接觸部位磁力的大小。所以，如果要用指南針的方式檢測磁鐵不同部位的磁力大小，理想狀態(tài)應(yīng)該是指南針的指針和被檢測部位接觸，但這是行不通的。不過我們可以采用較短的指針來盡可能縮短指針和被檢測磁鐵的距離，這對于絕大部分被檢測磁鐵來說已經(jīng)沒有問題了。

還有一個問題，指南針的指針永遠(yuǎn)指南北，而且必須水平放置，如果直接用它來做磁力計，使用時會受到很大限制，讓人感覺不便。解決的方法是用一塊小磁鐵代替地球磁場，讓它固定磁針的方向，這樣使用起來就不受限制了。此外，用小磁鐵替代還有一個好處，就是可以調(diào)節(jié)小磁鐵和磁針的距離，從而可以控制這個磁力計磁針的靈敏度。

當(dāng)然，這個簡易磁力計不能很精確地定量檢測，只能定性檢測，也就是能大概地看出磁力的強弱，不具有精確性，但對于小學(xué)生而言，對于教材的要求而言，已經(jīng)足夠了。

二、設(shè)計制作

下圖是結(jié)構(gòu)設(shè)計圖，采用一根小磁針，可以用縫衣針自制，長約14毫米，用軸固定在底盤中央，磁針上鏈接一個塑料指針，和磁針互相垂直，在磁針旁邊放置一塊小磁鐵，小磁鐵距離磁針大約1厘米。在小磁鐵的作用下，磁針始終固定一個方向。在底盤下部紅色位置為檢測點，檢測點距離磁針大約1厘米。需要檢測磁鐵什么部位，就把磁鐵這個部位對準(zhǔn)檢測點，磁針就能發(fā)生偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)角度由檢測點磁鐵磁力的大小決定。

磁力計的外殼（底盤和手柄）采用3D建模，3D打印生成，可以確保精確度和美觀度。磁針用縫衣針自制，另外還需要用縫衣針制作一根固定軸。塑料指針可以用3D打印，也可以用牙簽代替。另外還需要準(zhǔn)備一塊小的條形磁鐵。

這個簡易磁力計的制作力求做到美觀、指針指示準(zhǔn)確、靈敏，不易出現(xiàn)故障，這就要求制作一個精細(xì)的外殼，以使磁針、軸、軸的卡槽能精確配合，盡可能減少摩擦阻力，使磁針能靈活轉(zhuǎn)動。傳統(tǒng)手工制作比較困難，為此，采用3D建模和3D打印技術(shù)進行較精確的制造。下面是用3D軟件設(shè)計的三維模型圖。

三、測試改進

3D打印機打印出的外殼質(zhì)量很好，精度較高，經(jīng)過裝配，縫衣針做的軸、磁針、指針都能準(zhǔn)確安裝到位。小磁鐵嵌入一塊小珍珠棉內(nèi)，然后塞入殼內(nèi)，調(diào)整到適當(dāng)位置，磁針轉(zhuǎn)動靈活又能穩(wěn)定地指向中間，符合預(yù)期效果。最后，用AB膠粘牢外殼，整體裝配完成。經(jīng)過測試，發(fā)現(xiàn)用磁鐵靠近這個簡易磁力計后，指針能較好地偏轉(zhuǎn)，但偶爾有卡頓現(xiàn)象。經(jīng)分析，發(fā)現(xiàn)要使磁針靈活轉(zhuǎn)動，關(guān)鍵在于軸，軸的好壞直接影響到使用效果。用縫衣針自制的軸如果兩端沒有完全磨尖，不夠光滑，那么在磁力的作用下，這種輕微的瑕疵會使它轉(zhuǎn)動時阻力大增，結(jié)果就出現(xiàn)了指針有偶爾卡頓的現(xiàn)象。經(jīng)過改進軸，使其兩端都磨尖銳，表面都磨光滑，阻力大大降低，指針轉(zhuǎn)動非常靈活，卡頓現(xiàn)象不再出現(xiàn)，簡易磁力計工作良好。

四、使用效果

用這個簡易磁力計去測試一塊條形磁鐵，測試五個不同部位，測試結(jié)果令人非常滿意，簡易磁力計指針反應(yīng)靈敏，偏轉(zhuǎn)角度差別明顯，磁鐵各部位的磁力大小一目了然，效果相當(dāng)不錯。見下圖：

選取一個班級做對比實驗，共12組學(xué)生，每一組學(xué)生都分別用掛回形針和用簡易磁力計測量這兩種方法來研究“磁鐵什么地方磁力最大”這一問題，經(jīng)過統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)用掛回形針的方法平均耗時約5分鐘，用簡易磁力計的平均耗時約半分鐘。讓學(xué)生對比兩種方法，提問：“你更喜歡用哪一種方法？”調(diào)查結(jié)果顯示約84%的學(xué)生更喜歡用簡易磁力計測量的方法。繼續(xù)提問：“你對簡易磁力計的原理感興趣嗎？你想了解嗎？”調(diào)查結(jié)果顯示約80%的學(xué)生非常感興趣。在對學(xué)校6位科學(xué)教師的調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，6位教師都認(rèn)為簡易磁力計是能檢測出磁力大小的，其中5位教師認(rèn)為可以作為一種實驗手段來使用。綜合各方面調(diào)查結(jié)果來看，此簡易磁力計使用效果還是很不錯的，有一定的使用價值。

簡易磁力計的研制不是要刻意改變原來教材上的實驗方法，它僅僅是實驗方法的一種補充，是學(xué)習(xí)了磁鐵這一單元后給知識的運用提供了一種可能，也可以作為學(xué)生學(xué)習(xí)磁鐵知識后的一種課外小制作活動，更可以作為學(xué)校STEM教育的一種課程資源。

總之，對簡易磁力計的研究和制作是很有意義的，它可以進一步激發(fā)學(xué)生強烈的學(xué)習(xí)興趣和探究欲望，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的能力，讓他們不僅僅知識上有所增加，更讓他們在能力上有機會得到提高。

[作者單位：蘇州市實驗小學(xué) 江蘇]