對條形磁鐵演示實驗兩個表觀結論的商榷

陳春玉 黃健康

摘 要：部分初高中教師常通過條形磁鐵演示實驗，來引導學生直觀判定條形磁鐵周圍空間各個位置磁場的強弱，但卻在不經(jīng)意的引導過程中得出兩個表觀結論。本文從磁感線空間分布和磁鐵（或鐵屑）受力分析角度，分析探討實驗現(xiàn)象形成的原因，對兩個表觀結論提出商榷。

關鍵詞：條形磁鐵；磁場強弱；表觀結論；商榷

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A 文章編號：1003-6148（2018）6-0051-3

初高中物理教師教到磁場內(nèi)容時，普遍會做條形磁鐵周邊各位置磁場強弱方面的演示實驗?？墒牵恍┙處熥鲅菔緦嶒灮蛞龑W生做探索性實驗的時候，通常沒有引導學生從條形磁鐵的結構、磁感線分布情況、磁感線的基本特征及受力角度來分析研究所觀察到的現(xiàn)象，而是從表觀現(xiàn)象出發(fā)簡單詮釋現(xiàn)象，并得出相關表觀結論。本文列舉兩個典型的表觀結論，并對此提出商榷[1]。

1 條形磁鐵兩類演示實驗及容易出現(xiàn)的表觀結論

1.1 兩塊條形磁鐵相互吸引演示實驗及容易出現(xiàn)的表觀結論

一些教師在做磁場強弱演示實驗時，常將一塊條形磁鐵放在講臺上或托在手上分別做三次實驗。

（1）如圖1，將另一塊條形磁鐵豎直提著靠近平放在桌面上的磁鐵異名的那一磁極，可看到平放在桌面的磁鐵被吸起并發(fā)出碰撞聲音。

（2）將另一磁鐵一磁極從側面靠近同名的那一磁極，如果靠得很近，會看到平放在桌面上的磁鐵被排斥推動而轉起來。

（3）如圖2，將另一磁鐵一端豎直握住，另一端靠近平放的條形磁鐵中央，發(fā)現(xiàn)磁鐵難以吸起來，但可大致感覺側向吸斥力的存在。

教師普遍會邊演示邊總結實驗現(xiàn)象，或讓學生上講臺談一些自己操作時的感覺。之后，很多教師會做這樣的解釋：因為條形磁鐵兩頭處磁場很強，所以吸引力或排斥力很大，異名吸引，同名排斥，握磁鐵時會感受到它們間有很大的作用力；而豎直靠近磁鐵中央時，由于磁鐵中央處磁場很弱，所以吸引力或排斥力很小，豎直方向難以感受到力的作用[2]。

基于以上實踐探索，很多教師最終會引導學生得出“條形磁鐵磁場兩頭強而中央弱”這一表觀結論。

1.2 條形磁鐵撒鐵屑實驗及容易出現(xiàn)的表觀結論

有些教師將一塊條形磁鐵平放在桌面上，再將一塊平板有機玻璃平放在這條形磁鐵上方，然后從磁鐵上方往下輕撒鐵屑。結果看到鐵屑絕大部分聚集在磁鐵兩頭，且靠近磁鐵兩頭處鐵屑都呈立體毛發(fā)狀分布，給人以很強的力度感；而靠近中央?yún)^(qū)域處的鐵屑幾乎是平躺著的，并且有被磁鐵往兩端拖過去的跡象。若用手撥磁鐵兩頭的鐵屑，發(fā)現(xiàn)不易撥走；用手撥靠近磁鐵中央?yún)^(qū)域位置處的鐵屑，卻發(fā)現(xiàn)鐵屑很容易跑往磁鐵兩端。有的教師為圖方便，直接將條形磁鐵放在白紙上，直接撒鐵屑。圖3為磁鐵未包裹時學生做撒鐵屑實驗所拍攝的照片。

有些教師為了讓現(xiàn)象更加明顯，用白紙將條形磁鐵包裹起來，再用它來吸引鐵屑，結果可更明顯地看出鐵屑幾乎集中在磁鐵兩頭，中央很少有鐵屑吸附在上面。

最終，教師普遍會從撒鐵屑實驗現(xiàn)象出發(fā)，引導學生得出“磁鐵兩頭磁場強吸引鐵屑多，磁鐵中央部位磁場弱從而吸引鐵屑少”這一表觀結論。

2 對兩個表觀結論的商榷

我們覺得前面通過演示實驗或實踐探索性實驗所得的兩個表觀結論存在問題，下面從兩個方面著手進行分析探討。

2.1 從磁感線角度分析探討

圖4是條形磁鐵完整的磁感線分布圖，由于磁感線是閉合曲線，整個條形磁鐵的磁感線都要經(jīng)過磁體內(nèi)部，磁鐵中央的磁感線特別密，磁場實際比兩極處強。而磁鐵外部空間，則是靠近磁極處磁感線密，磁場強，中央部位磁感線疏一些，相對兩極弱一些。但在垂直磁鐵中軸線方向上，從磁鐵表面向遠處，卻是逐漸減弱的，中央部位反而是強。在大學物理的《電磁學》課堂中這一點講得非常清楚，我們教師應該注意[3]。

因此，在談論磁場各部位強弱時，既要分內(nèi)外部，也要分方向，不能一刀切地下定論。

2.2 從受力和運動軌跡角度分析探討

（1）磁鐵在不同位置所受磁場力情況討論

如圖5，當一條形磁鐵平放在桌面上，另一條形磁鐵用手豎直握?。ㄔON極在下端），從平放磁鐵上方左端位置移動到右端位置過程中，豎握的磁鐵下端在位置A所受的磁場力為排斥力且斜向上，該力較大，自然給人一種此處磁場強的感覺；豎握磁鐵下端在位置B所受的磁場力水平向右，該力仍較大，但兩磁鐵豎直方向無吸引和排斥感覺，自然也就給人一種無磁場或磁場弱的錯覺；豎握磁鐵下端在位置C所受的磁場力為吸引力且斜向下，該力較大，自然也給人一種此處磁場強的感覺。

正因為豎握磁鐵在三個不同位置有吸斥力對比上的感覺，便自然而然地將力的認知遷移到磁場強弱認知上，且拋開了力的方向變化對感覺的影響，也拋開了磁鐵內(nèi)外部磁感線的疏密討論，這種認知顯然存在問題。

（2）鐵屑下落過程中受力及軌跡偏向情況探討

如圖6，當一條形磁鐵平放在桌面上，一只手撒鐵屑時，鐵屑在條形磁鐵磁場中容易發(fā)生磁化現(xiàn)象，相當于一個小磁鐵，也有兩極，一側受引力，而另一側受斥力。A鐵屑單元下落時，靠近平放磁鐵N極那一端，在忽略空氣阻力的情況下，磁場力及重力的合力斜向下且偏左，這會使得鐵屑下落軌跡漸漸彎向N極，而且越靠近合力越大，也即下落鐵屑聚集向N極的量特別多。同理，C鐵屑單元下落時，靠近平放磁鐵S極那一端，聚集向S極的鐵屑量也便特別多。而正中豎直線上的鐵屑所受的水平磁場力幾乎抵消，所受合力向下，豎直下落，但真正能夠做到這一點的鐵屑量是極少的。另外，當在磁鐵正上方拋撒鐵屑時，若鐵屑有一定的水平分速度，更易使鐵屑偏向兩極，也會造成撒鐵屑時，靠近磁鐵中心區(qū)域鐵屑量偏少而兩極處較多。

正因為這些力、水平速度與軌跡偏轉因素共同影響，才造成均勻撒鐵屑時，鐵屑靠近兩極的量會比外部中央?yún)^(qū)域的量相對多些，但這些都不能作為評判磁場強弱的嚴格標準，僅能大致判斷各處磁場情況不同。撒鐵屑的真正目的，是通過鐵屑的分布情況，來判定磁感線的分布情況，進而大致地判定各處磁場的強弱。所以，撒鐵屑實驗，最好先將磁鐵放在平紙板下方，而在紙板上方撒鐵屑，并輕輕敲打紙板，再通過鐵屑分布情況了解磁感線的分布情況，再引導學生探討各處磁場的強弱。

3 實驗教學引導與處理建議

對于初高中學生，尤其是初中學生，為讓學生能夠具體感知到條形磁鐵外部空間磁場的強弱，教師在做前面兩個演示實驗或引導學生做兩個實踐探索性實驗時，一定要向學生點明操作認知只是一種感性認知，有可能出現(xiàn)誤判斷。條形磁鐵哪個位置的磁場真的強，初中得分清磁鐵內(nèi)外部，并懂得從磁感線分布及疏密角度來分析判定，而高中還得考慮通電直導線擺放情況及導線受力大小。

參考文獻：

[1]楊永安.《磁鐵》一課教學結構例評[J].教學儀器設備，2001（3）：19.

[2]林濤，姚衛(wèi).探究鐵屑法立體演示磁鐵磁感線[J].教育現(xiàn)代化（下半月），2015（7）：56.

[3]趙凱華，陳熙謀.電磁學[M].北京：高等教育出版社，2011.

（欄目編輯 王柏廬）