創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)探究通電螺線管的磁場(chǎng)空間分布

喬樹(shù)潔 徐國(guó)萍 任振穎

摘 要：磁場(chǎng)的空間分布對(duì)學(xué)生理解磁場(chǎng)及其性質(zhì)具有重要作用.教學(xué)實(shí)踐證明，學(xué)生對(duì)磁場(chǎng)的前概念停留在表象及平面范疇，對(duì)磁場(chǎng)方向性和空間性理解不夠，而通過(guò)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)器材可以使學(xué)生獲得生動(dòng)的感性認(rèn)識(shí)，在此基礎(chǔ)上對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行科學(xué)分析和概括，進(jìn)一步探究磁場(chǎng)的本質(zhì).本文結(jié)合探究通電螺線管外部磁場(chǎng)的規(guī)律和特點(diǎn)，應(yīng)用創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)器材進(jìn)行磁場(chǎng)規(guī)律的探究.

關(guān)鍵詞：磁場(chǎng);磁場(chǎng)空間分布;條形磁體;通電螺線管;實(shí)驗(yàn)探究

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1008-4134（2021）08-0031-02

1 制作背景與創(chuàng)新點(diǎn)

1.1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容分析

探究通電螺線管外部磁場(chǎng)方向位于北師大版物理教材九年級(jí)第十二章第三節(jié)，是課標(biāo)對(duì)于“運(yùn)動(dòng)和相互作用”部分內(nèi)容提出的9個(gè)必做探究性實(shí)驗(yàn)之一.同時(shí)，電流的磁效應(yīng)也是學(xué)習(xí)電磁現(xiàn)象的重要基礎(chǔ).本章的核心內(nèi)容是建立電和磁之間的聯(lián)系，通過(guò)探究通電螺線管的磁場(chǎng)是在通電導(dǎo)線產(chǎn)生磁場(chǎng)的基礎(chǔ)上形成的，再次將電和磁統(tǒng)一起來(lái)，在電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向和電流方向之間建立起聯(lián)系，進(jìn)而總結(jié)規(guī)律.探究通電螺線管外部磁場(chǎng)方向是在已知磁場(chǎng)方向性和空間性的基礎(chǔ)上，類比條形磁體的磁場(chǎng)方向，再次加深對(duì)磁場(chǎng)的理解，為今后學(xué)習(xí)“場(chǎng)”這一空間概念奠定基礎(chǔ)，也是可持續(xù)發(fā)展的物理學(xué)習(xí)的必要基礎(chǔ).

1.2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)價(jià)值分析

通過(guò)實(shí)驗(yàn)將通電螺線管外部磁場(chǎng)的分布用小磁針進(jìn)行顯示;將抽象的磁場(chǎng)直觀化，不僅能展示平面內(nèi)磁場(chǎng)的分布特點(diǎn)，而且能展示360度空間范圍內(nèi)磁場(chǎng)的分布特點(diǎn)，借此提高學(xué)生的空間感知效果，增強(qiáng)空間想象力，深刻體會(huì)“場(chǎng)”這一空間概念.通過(guò)觀察通電螺線管外部磁場(chǎng)的分布特點(diǎn)及條形磁鐵的磁場(chǎng)分布特點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生的觀察能力和獲取信息能力，并通過(guò)類比的方法科學(xué)推理出通電螺線管外部磁場(chǎng)的方向特點(diǎn).進(jìn)一步改變電流方向，再次觀察通電螺線管外部磁場(chǎng)分布特點(diǎn)，引導(dǎo)學(xué)生勇于質(zhì)疑，并針對(duì)提出的問(wèn)題設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行科學(xué)論證，最終得出通電螺線管外部磁場(chǎng)方向與電流方向有關(guān).完成了活躍思維—主動(dòng)探究—發(fā)現(xiàn)規(guī)律—解決問(wèn)題的系列過(guò)程.本設(shè)計(jì)用實(shí)驗(yàn)將抽象的自然規(guī)律與學(xué)生現(xiàn)有思維能力之間搭建起了一座橋梁，促使學(xué)生對(duì)科學(xué)概念規(guī)律的認(rèn)識(shí)由感性向理性升華.

2 創(chuàng)新點(diǎn)

用不同平面內(nèi)小磁針的分布和指向直觀展示空間看不見(jiàn)的磁場(chǎng)，滲透轉(zhuǎn)化的思想，將抽象概念直觀化.通過(guò)描述小磁針指向特點(diǎn)，逐步建立磁感線的模型.通過(guò)建立磁感線模型的過(guò)程，理解磁場(chǎng)和磁感線的區(qū)別聯(lián)系.用于觀察條形磁體、通電螺線管、電磁鐵的360度空間內(nèi)磁場(chǎng)分布特點(diǎn)，探究磁場(chǎng)分布規(guī)律;建立磁感線的模型.

3 儀器結(jié)構(gòu)及材料

3.1 結(jié)構(gòu)圖及材料

（1）支架——用于固定和支撐磁體及旋轉(zhuǎn)板.材料為亞克力板（如圖1所示）.

（2）旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)動(dòng)軸——用于固定磁針支架.材料為銅絲.

（4）旋轉(zhuǎn)軸——用于連接旋轉(zhuǎn)板與磁體.材料為金屬桿.

（5）磁體放置區(qū)——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(nèi)自由旋轉(zhuǎn)提供動(dòng)力.材料為塑料和橡皮泥（如圖3所示）.

3.2 實(shí)驗(yàn)探究通電螺線管外部磁場(chǎng)方向?qū)嶒?yàn)

3.2.1 實(shí)驗(yàn)步驟

（1）將展示板調(diào)至水平，安裝調(diào)試小磁針，觀察記錄小磁針靜止時(shí)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(shí)N極指向，如圖4所示.

（3）在空間360度范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)展示板，改變小磁針?biāo)诘钠矫妫^察空間各個(gè)平面內(nèi)小磁針靜止時(shí)N極指向，并記錄下豎直平面內(nèi)小磁針靜止時(shí)N極指向，再任選一個(gè)不同平面，記錄下豎直平面內(nèi)小磁針靜止時(shí)N極指向，如圖5所示.

（4）當(dāng)展示板再次旋轉(zhuǎn)至水平面時(shí)，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(diào)至水平位置時(shí)，接通電源，觀察記錄小磁針靜止時(shí)N極指向，如圖6所示.

（7）在空間360度范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)展示板，改變小磁針?biāo)诘钠矫?，觀察空間各個(gè)平面內(nèi)小磁針靜止時(shí)N極指向，并記錄下豎直平面內(nèi)小磁針靜止時(shí)N極指向，如圖7所示.再任選一個(gè)不同平面，記錄下豎直平面內(nèi)小磁針靜止時(shí)N極指向.

（8）調(diào)換電源正負(fù)極，觀察記錄小磁針在豎直平面內(nèi)靜止時(shí)N極指向，如圖8所示，當(dāng)展示板再次旋轉(zhuǎn)至水平面時(shí)，斷開(kāi)電源.

（9）分析數(shù)據(jù)，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(huà)出，用平滑的曲線沿著箭頭方向?qū)⑼娐菥€管的N、S極連接起來(lái)，即畫(huà)出磁感線，如圖9所示.

3.2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

對(duì)比圖4和圖6通電螺線管外部磁場(chǎng)空間分布與條形磁體相似;對(duì)比圖6和圖8及任一平面內(nèi)指針?lè)植迹ㄎ戳谐觯┩娐菥€管外部范圍內(nèi)磁場(chǎng)的方向都是從N極出發(fā)指向S極;對(duì)比圖7和圖8通電螺線管外部的磁場(chǎng)方向與電流方向有關(guān).

4 教學(xué)反思

借助旋轉(zhuǎn)平面來(lái)描述磁場(chǎng)空間分布的想法來(lái)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(nèi)磁場(chǎng)的分布特點(diǎn)，還能夠展示360度空間范圍內(nèi)磁場(chǎng)的分布特點(diǎn)，更是傳統(tǒng)文化影響現(xiàn)代教學(xué)的一種體現(xiàn).提高了學(xué)生的空間感知能力和空間想象能力，促使學(xué)生對(duì)科學(xué)概念規(guī)律的認(rèn)識(shí)由感性向理性升華.不足之處在于實(shí)驗(yàn)器材的精細(xì)化程度和美觀度可進(jìn)一步提高.

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（收稿日期：2020-11-30）