探究影響螺線管磁性強(qiáng)弱因素的實驗研究

高革利

【摘要】初中物理教學(xué)中關(guān)于電磁學(xué)的學(xué)習(xí)內(nèi)容非常簡單，但不可忽視的是電磁學(xué)在當(dāng)今科技進(jìn)步中發(fā)揮的作用，電流周圍存在磁場，如何將這個磁場加強(qiáng)？一種方法是將導(dǎo)線做成螺線管。但現(xiàn)在在初中物理教學(xué)中，大多數(shù)關(guān)于螺線管磁性強(qiáng)弱的實驗室表征是通過磁體本身的具有吸引鐵、鈷、鎳等的性質(zhì)，即用螺線管去吸引大頭針或曲別針，通過它們的個數(shù)來表征螺線管的磁性強(qiáng)弱。但在實驗室中很多時候該實驗的現(xiàn)象并不是很明顯，本文則是從另一個角度出發(fā)，通過磁極間的相互吸引或排斥的效果來表征螺線管的磁性強(qiáng)弱。

【關(guān)鍵詞】螺線管 磁性 磁極間的相互作用

【中圖分類號】G633.7 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】2095-3089（2018）14-0242-02

1820年丹麥科學(xué)家奧斯特在一次偶然的情況下發(fā)現(xiàn)了，在接通電流時，導(dǎo)線附近的小磁針忽然轉(zhuǎn)動了一下，裝置如圖1a，這一轉(zhuǎn)動說明了電流的周圍存在磁場。安培利用右手定則總結(jié)出了通電直導(dǎo)線周圍的磁場方向和電流方向的關(guān)系如圖1b。也是這一轉(zhuǎn)揭開了電磁學(xué)領(lǐng)域的序幕。為了將通電直導(dǎo)線周圍的磁場加強(qiáng)，采用了方法——增大電流，但由于條件限制，電流不能一直增大。隨著進(jìn)一步的研究，人們發(fā)現(xiàn)將直導(dǎo)線做成線圈如圖2，根據(jù)安培定則1線圈的磁場是各段通電導(dǎo)線磁場的疊加，因此磁場得到了增強(qiáng)，這就是螺線管，因此改變線圈匝數(shù)可改變螺線管周圍的磁場強(qiáng)弱。如果將螺線管中插入軟鐵棒，螺線管的磁性會進(jìn)一步加強(qiáng)，插入軟鐵棒的螺線管即為電磁鐵，在當(dāng)今社會中的很多領(lǐng)域都擔(dān)任著重要角色。

物理是一門以實驗為基礎(chǔ)的學(xué)科，脫離實驗只是將知識傳授給學(xué)生就偏離了物理學(xué)習(xí)的本質(zhì)。我們要傳授給學(xué)生們的應(yīng)該是研究的方法和技能，即如何根據(jù)生活現(xiàn)象提出問題、分析問題、涉及實驗解決問題的能力。因此，在課堂上一定要設(shè)計足以說明問題的演示或?qū)W生實驗為知識載體。對于“研就影響螺線管磁性強(qiáng)弱因素”的實驗中，自變量顯然有電流大小、線圈匝數(shù)、是否有鐵芯，很容易實現(xiàn)改變和控制，但因變量“螺線管磁性強(qiáng)弱”的表征大多數(shù)實驗利用了磁體具有吸引鐵、鈷、鎳等物質(zhì)的性質(zhì)，即通過吸引大頭針或曲別針的個數(shù)來表征，如圖3裝置，調(diào)節(jié)滑動變阻器通過觀察某一螺線管能吸引大頭針的數(shù)目來研究螺線管磁性強(qiáng)弱與電流大小的關(guān)系；通過對比兩螺線管下方能大頭針數(shù)目研究螺線管磁性與線圈匝數(shù)的關(guān)系；保持電流不變，對比同一螺線管加鐵芯前后能吸引大頭針的數(shù)目來研究螺線管磁性強(qiáng)弱與是否有鐵芯的關(guān)系。但在實驗室中很多時候該實驗的現(xiàn)象并不是很明顯，具體為一方面大頭針或曲別針個數(shù)變化不是十分明顯，另一方面大頭針或曲別針作為演示實驗的話可視性效果不好。

實驗部分：為了解決上述兩個問題，我在研究加鐵芯是否增強(qiáng)螺線管磁性的實驗中，從磁體磁極間的相互作用，即同名磁極相互排斥、異名磁極相互吸引的角度出發(fā)，通過螺線管的磁極和磁體磁極的相互吸引或排斥來表征因變量螺線管的磁性強(qiáng)弱。

設(shè)計1：實驗器材：螺線管、鐵釘、電源、導(dǎo)線、開關(guān)、大號磁針

實驗步驟和實驗現(xiàn)象：①按照圖4組裝電路；②閉合開關(guān)，將沒有插入鐵釘?shù)穆菥€管至于距離磁針的N極d處，發(fā)現(xiàn)二者緩慢吸引；③斷開開關(guān)，將鐵釘插入螺線管，其它裝置不變，閉合開關(guān)再次將螺線管放置與距離磁針N極d處，發(fā)現(xiàn)二者的吸引作用比上一次加大。分析：吸引加快說明了螺線管的磁性增強(qiáng)，但這個結(jié)論科學(xué)嗎？出現(xiàn)這樣的想象是因為螺線管磁性增強(qiáng)根據(jù)異名磁極相互吸引的效果，還是由于在第一次實驗的基礎(chǔ)上增加了磁針和鐵釘間的吸引力的效果呢？為了能得到有力的證據(jù)來證明這一點(diǎn)，我將上述實驗中電源正負(fù)極對調(diào)再重復(fù)一次，得到了沒有插入鐵芯時螺線管和磁針緩慢排斥，插入鐵芯后二者排斥作用增強(qiáng)。如果第一組實驗中吸引作用的增強(qiáng)是因為磁針對鐵釘?shù)奈饔?，則在第二組實驗中加鐵芯后排斥作用應(yīng)減弱。因此通過同名磁極相互排斥，充分得到了加鐵芯能使螺線管磁性增強(qiáng)的結(jié)論。該實驗比較直觀，從另一個角度引發(fā)學(xué)生思考，拓展對已有知識的整合，審辨式思維能力、分析問題的能力、設(shè)計實驗的能力得到提高。但本實驗對于用“緩慢”“快速”吸引或排斥的效果表征螺線管磁性強(qiáng)弱對于數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確描述方面存在不足。

設(shè)計2：實驗器材：大號磁針、細(xì)線、螺線管、鐵釘、電源、開關(guān)，表面貼有白紙豎放平板；實驗步驟：①將大磁針用細(xì)線系住中間，懸吊于書房平板所在平面，斷開開關(guān)如圖5組裝實驗裝置，并在平板白紙上描出細(xì)線軌跡；②閉合開關(guān)，穩(wěn)定后描出此時細(xì)線軌跡，并測出偏離豎直方向的夾角θ1記錄，斷開開關(guān)；③將鐵釘插入螺線管，其余裝置不動，閉合開關(guān)，描出此時細(xì)線軌跡，并測量出偏離豎直方向的夾角θ2記錄，斷開開關(guān)。

實驗現(xiàn)象和結(jié)論：磁針和螺線管相互排斥，且發(fā)現(xiàn)θ2>θ1，說明螺線管加鐵芯后磁性得到了增強(qiáng)。實驗中這種表征螺線管磁性強(qiáng)弱的方法不僅將數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和精確度提高了，而且也將數(shù)據(jù)的可視化程度擴(kuò)大了，這樣的表征也依然可用于研究螺線管磁性強(qiáng)弱與電流大小、線圈匝數(shù)多少的關(guān)系實驗中。這種轉(zhuǎn)換表征還可以為高中學(xué)生不在同一直線上的三力合成與分解的計算提供模型。

總結(jié)：磁性強(qiáng)弱可以從磁體本身具有吸引鐵、鈷、鎳等物質(zhì)的性質(zhì)的角度進(jìn)行轉(zhuǎn)換表征，也可從磁極間相互作用——同名磁極相互排斥、異名磁極相互吸引的角度進(jìn)行轉(zhuǎn)換研究。本實驗則是從第二個角度進(jìn)行轉(zhuǎn)換將數(shù)據(jù)和現(xiàn)象優(yōu)化。

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