自制“磁場(chǎng)對(duì)通電導(dǎo)體的作用”演示教具

浙江省嵊州市剡城中學(xué)教育集團(tuán)城東校區(qū)(312400) 何 慧 楊松耀

1 教材實(shí)驗(yàn)的背景和意義

“磁場(chǎng)對(duì)通電導(dǎo)體的作用”是一個(gè)經(jīng)典的電磁學(xué)實(shí)驗(yàn)，在浙教版初中科學(xué)教材中被安排在八年級(jí)下冊(cè)第1章第4節(jié)“電動(dòng)機(jī)”的“活動(dòng)”板塊中，通過該實(shí)驗(yàn)活動(dòng)，學(xué)生明確了“通電導(dǎo)體在磁場(chǎng)中會(huì)受到力的作用，力的方向與電流方向和磁場(chǎng)方向有關(guān)，當(dāng)電流方向或磁場(chǎng)方向發(fā)生改變時(shí)，導(dǎo)體的受力方向也發(fā)生改變”[1]。在本章第2節(jié)“電生磁”中，學(xué)生通過奧斯特實(shí)驗(yàn)已知通電導(dǎo)體周圍存在磁場(chǎng)，通過磁場(chǎng)通電導(dǎo)體會(huì)對(duì)周圍的小磁針有力的作用。根據(jù)力的作用是相互的，學(xué)生會(huì)猜想小磁針的磁場(chǎng)對(duì)通電直導(dǎo)體也有力的作用。因此本實(shí)驗(yàn)是學(xué)生研究磁場(chǎng)對(duì)通電導(dǎo)體有力的作用的重要環(huán)節(jié)，同時(shí)也是后續(xù)學(xué)習(xí)磁場(chǎng)對(duì)通電線圈作用的基礎(chǔ)。

2 教材實(shí)驗(yàn)的不足

教材實(shí)驗(yàn)采用的是如圖1所示的實(shí)驗(yàn)裝置，在實(shí)際教學(xué)演示過程中，該裝置往往存在以下幾個(gè)問題：

圖1 磁場(chǎng)對(duì)通電導(dǎo)體的作用

(1)現(xiàn)象持續(xù)時(shí)間短，可觀性差。受蹄形磁鐵磁場(chǎng)范圍的限制，導(dǎo)軌長(zhǎng)度較短，通電后導(dǎo)體棒運(yùn)動(dòng)距離短、持續(xù)時(shí)間不長(zhǎng)，現(xiàn)象稍縱即逝；加上導(dǎo)體棒較細(xì)，學(xué)生對(duì)該演示實(shí)驗(yàn)的整體觀感較差。

(2)導(dǎo)體棒和導(dǎo)軌間易接觸不良。實(shí)驗(yàn)室所使用的金屬棒多為鋁棒，鋁在空氣中易氧化，導(dǎo)致導(dǎo)體棒與導(dǎo)軌接觸不良；用砂紙打磨后又易導(dǎo)致導(dǎo)體棒與導(dǎo)軌間摩擦過大，出現(xiàn)導(dǎo)體棒難以運(yùn)動(dòng)的情況。

(3)導(dǎo)軌易變形。教材實(shí)驗(yàn)裝置中的導(dǎo)軌一般用銅絲等金屬絲制成，會(huì)因使用不當(dāng)造成彎曲變形，導(dǎo)致導(dǎo)軌不平整，導(dǎo)體棒在這樣的導(dǎo)軌上運(yùn)動(dòng)較為困難，常出現(xiàn)來回滾動(dòng)或不能滾動(dòng)的情形。

(4)電源短路。為了獲得更大的電流，使實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更加明顯，教材實(shí)驗(yàn)的做法是將蓄電池短路，在導(dǎo)體通電而不能運(yùn)動(dòng)的情況下對(duì)蓄電池的損壞較大。

3 相關(guān)改進(jìn)實(shí)驗(yàn)的總結(jié)

筆者查閱相關(guān)文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)對(duì)該實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)文章較多，改進(jìn)的方式主要集中在以下幾個(gè)方面：

(1)減小摩擦。用銅絲固定在鐵釘上張緊，代替導(dǎo)軌，以減小導(dǎo)軌與導(dǎo)體棒之間的摩擦[2]。

(2)改變導(dǎo)體材料。用化學(xué)性質(zhì)較為穩(wěn)定的鉛筆芯代替鋁棒，以保證導(dǎo)體棒與導(dǎo)軌之間良好的接觸[3]。

(3)改變實(shí)驗(yàn)方式。采用懸掛法，將鋁棒懸掛在磁鐵中間，觀察其偏向[4]。

但這些改進(jìn)，仍沒有解決導(dǎo)體棒運(yùn)動(dòng)時(shí)間過短、現(xiàn)象稍縱即逝的問題，究其原因主要還是蹄形磁鐵磁場(chǎng)分布范圍小，導(dǎo)體棒較細(xì)所致，為此筆者從增大磁場(chǎng)范圍和強(qiáng)度的角度對(duì)教材實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行了改進(jìn)，設(shè)計(jì)了“磁場(chǎng)對(duì)通電導(dǎo)體的作用”演示教具。

4 自制實(shí)驗(yàn)裝置的制作

4.1 制作材料

強(qiáng)磁鐵若干，鋼尺3根，木板、電流表、變阻器、開關(guān)各1，塑料吸管、錫箔紙、電池盒、電池、導(dǎo)線若干。

4.2 制作過程

(1)磁場(chǎng)的改進(jìn)。針對(duì)蹄形磁鐵磁場(chǎng)范圍小的缺點(diǎn)，本教具用強(qiáng)磁鐵以相同的間距、同一極面吸在1根鋼尺的一面，用以代替蹄形磁鐵。

(2)導(dǎo)體棒的制作。鋁棒易被氧化，其他金屬棒又太重不便運(yùn)動(dòng)，本教具用錫箔紙包裹塑料吸管代替鋁棒。錫箔紙主要材料是鋁錫合金，具備導(dǎo)電能力，且化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，不易被氧化；塑料吸管選用喝奶茶的吸管，這種吸管具備一定的硬度，且質(zhì)量比同體積的其他金屬棒要小得多，能有效減小與導(dǎo)軌之間的摩擦。

(3)裝置的連接。針對(duì)金屬絲導(dǎo)軌存在的問題，本教具用2根鋼尺側(cè)立固定在木板上以代替原裝置的導(dǎo)軌，鋼尺平整且不易變形，可以有效減小與導(dǎo)體棒之間的摩擦，讓導(dǎo)體棒運(yùn)動(dòng)更為順暢。另外，在電路中加入電阻箱(也可以用滑動(dòng)變阻器代替)，通過調(diào)節(jié)電路中阻值的大小來改變電路中的電流，防止電源短路，制作完成的演示教具如圖2所示。

圖2 “磁場(chǎng)對(duì)通電導(dǎo)體的作用”演示教具

5 使用方法

利用改進(jìn)后的“磁場(chǎng)對(duì)通電導(dǎo)體的作用”演示教具，能夠很好地完成教材實(shí)驗(yàn)，同時(shí)還能進(jìn)行拓展實(shí)驗(yàn)。

5.1 研究磁場(chǎng)方向、電流方向與通電導(dǎo)體所受作用力的方向之間的關(guān)系

將如圖2所示裝置的開關(guān)閉合，接通電路，學(xué)生就能觀察到導(dǎo)體棒朝一個(gè)方向運(yùn)動(dòng)。將底部吸有強(qiáng)磁鐵的鋼尺翻轉(zhuǎn)，改變磁場(chǎng)方向，再次閉合開關(guān)，導(dǎo)體棒運(yùn)動(dòng)方向與之前的運(yùn)動(dòng)方向相反。說明導(dǎo)體棒運(yùn)動(dòng)方向與磁場(chǎng)方向有關(guān)。

將連接電池正負(fù)極接線柱的導(dǎo)線交換，閉合開關(guān)，導(dǎo)體棒運(yùn)動(dòng)方向與剛才的運(yùn)動(dòng)方向相反。說明導(dǎo)體棒的運(yùn)動(dòng)方向與電流方向有關(guān)。

將鋼尺翻轉(zhuǎn)，并交換連接電池正負(fù)極接線柱的導(dǎo)線，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)體棒運(yùn)動(dòng)方向不變。可以很好地說明通電導(dǎo)體在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)方向與磁場(chǎng)方向、電流方向都有關(guān)。

5.2 研究磁場(chǎng)強(qiáng)度、電流大小與通電導(dǎo)體所受作用力的大小之間的關(guān)系

本教具還可以實(shí)現(xiàn)改變磁場(chǎng)強(qiáng)度和電流的大小，由此來判斷磁場(chǎng)強(qiáng)度和電流大小與通電導(dǎo)體所受作用力大小之間的關(guān)系。通過調(diào)整吸附在鋼尺上強(qiáng)磁鐵的數(shù)量，可以增減磁場(chǎng)的強(qiáng)度；通過調(diào)節(jié)電阻箱(滑動(dòng)變阻器)可以調(diào)整電流的大小。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，磁場(chǎng)越強(qiáng)、電流越大對(duì)通電導(dǎo)體的作用力也越大。

6 改進(jìn)后教具的優(yōu)點(diǎn)

本教具的創(chuàng)新之處是對(duì)通電導(dǎo)體作用的磁場(chǎng)進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)，該教具的優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

(1)取材方便，制作容易。本教具所采用的材料均是實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)成的器材或日常生活中常見的材料。裝置的制作也非常容易，用雙面膠、普通膠水都能做到將2根鋼尺粘在木板兩側(cè)，稍有點(diǎn)難度的就是將錫箔紙貼到吸管上，簡(jiǎn)單的辦法是取比吸管側(cè)面稍寬的錫箔紙，先在其一面均勻涂上膠水，然后將吸管在其上面滾動(dòng)，錫箔紙就能很好地與吸管粘合，最后根據(jù)裝置寬度將吸管過長(zhǎng)部分剪去即可。

(2)操作簡(jiǎn)單，成功率高。利用該教具進(jìn)行“磁場(chǎng)對(duì)通電導(dǎo)體的作用”實(shí)驗(yàn)，操作十分簡(jiǎn)單。通過翻轉(zhuǎn)吸有強(qiáng)磁鐵的鋼尺來改變磁場(chǎng)方向，通過交換連接在電源正負(fù)極上的鱷魚夾來改變電流方向，通過改變強(qiáng)磁鐵的多少來改變磁場(chǎng)強(qiáng)度，通過電路中的變阻器來調(diào)節(jié)電流的大小。導(dǎo)體棒運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象十分明顯，在多次實(shí)驗(yàn)中均沒有發(fā)生教材裝置所存在的問題，實(shí)驗(yàn)成功率高。

(3)現(xiàn)象明顯，可觀性強(qiáng)。因?qū)к壿^長(zhǎng)，導(dǎo)體棒既輕又粗，導(dǎo)體棒運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象非常明顯，加之實(shí)驗(yàn)成功率高，利用本教具開展“磁場(chǎng)對(duì)通電導(dǎo)體的作用”實(shí)驗(yàn)，很適合學(xué)生在課堂中進(jìn)行觀察。

(4)裝置安全，拓展性好。該教具本身不具有危險(xiǎn)性，該教具的設(shè)計(jì)避免了電源短路，整個(gè)裝置安全性較高。而且該裝置可以用于研究磁場(chǎng)強(qiáng)弱、電流大小與通電導(dǎo)體所受作用力大小的關(guān)系，還可以用于相關(guān)拓展實(shí)驗(yàn)。