直線電流磁感線演示儀的創(chuàng)新設計與實驗

韓小翠，舒其君，夏煜明

重慶市銅梁中學校，重慶 402560

物理概念和規(guī)律的形成是在觀察物理實驗現(xiàn)象和理性分析的基礎上逐漸建立的。通電直導線周圍磁場及其與電流方向的關系是“磁場 磁感線”這節(jié)內容的一個重要演示實驗，是在初中基礎上學習磁場的一個關鍵性進階，學生對磁感線這一模型的理解存在一定困難?！镀胀ǜ咧形锢碚n程標準（2017年版2020年修訂）》對該節(jié)課的內容要求是：“3.3.2通過實驗，認識磁場。了解磁感應強度，會用磁感線描述磁場，體會物理模型在探索自然規(guī)律中的作用”“例1 判斷通電直導線和通電線圈周圍磁場的方向，用磁感線描繪通電直導線和通電線圈周圍的磁場”［1］。新人教版高中物理必修第三冊中“磁場 磁感線”一節(jié)基本落實了上述要求，但關于通電直導線周圍磁場及其與電流方向的關系的實驗探究，教材中的方案仍有許多不足。在對教材和其他實驗方案進行分析后，筆者設計并自制了直線電流磁感線演示儀，讓學生更直觀地體會和理解安培定則。

1 常規(guī)實驗的不足

空間觀念。

（2）在探究直線電流周圍磁感線的實驗中，傳統(tǒng)實驗器材的直線電流周圍細鐵屑分布的疏密情況不容易看出，磁感應強度不容易測量，分析實驗時牽強地“誘導”學生得出實驗結論，說服力不強。

（3）無法利用多個小磁針同時顯示直線電流周圍磁場的方向，無法探究總結出安培定則。

關于該實驗的設計和教學，網(wǎng)上的研究較少，只有少數(shù)師生提供了一些實驗改進方案。例如，利用自制教具來表現(xiàn)通電直導線磁場方向和電流方向的關系［3］（圖 1），該實驗方法可以讓學生直觀地理解通電直導線的磁場方向與電流方向的垂直關系，但實驗操作起來有一定難度，不利于學生動手實踐，不能有效培養(yǎng)學生的科學探究與科學思維能力。

圖1 通電直導線電流方向與磁場方向的關系

磁感線是為了形象描述磁場而引入的假想物理模型，在目前的常規(guī)實驗教學中，通常采用細鐵屑或小磁針來反映磁體或電流周圍的磁場［2］，比較形象直觀，但也存在一些不足之處。

（1）傳統(tǒng)實驗只能在一層水平面模擬磁感線，不容易觀察，還會導致學生缺乏磁場的立體

2 創(chuàng)新設計思路

針對現(xiàn)有實驗的不足，進行如下思考：如果能夠自制一個直線電流磁感線演示儀，在電流周圍不同層面上模擬磁感線，定量測出電流周圍不同位置磁場強弱，同時顯示出電流方向與磁場方向，就可以幫助學生直觀地理解直線電流周圍磁場以及電流與磁場方向之間的關系，從而有效解決上述問題。對此，筆者想到可以用質輕、透明、易于成型、經(jīng)濟實惠的亞克力板來制作儀器的主體框架，并設置兩層水平面板，在儀器中央留出放置直導線的洞口，然后用細鐵屑撒在兩層水平面板上來模擬通電直導線周圍空間的磁感線分布情況。同時，利用磁傳感器測量不同位置磁感應強度的大小，進一步驗證磁感線的疏密反映磁場的強弱。設計的演示儀尺寸盡量大，就可以采用多個小磁針來顯示直線電流周圍的磁場方向。為了同時顯示直導線的電流方向，可以利用發(fā)光二極管的單向導電性來指示電流方向，從而探究安培定則。

3 實驗裝置和器材

3.1 自制實驗儀

如圖2所示，器材框架是由亞克力板粘合而成，長寬均為25 cm，高為50 cm，有兩層水平面板。對于直導線的選擇，最初使用的是一條直徑約5 mm的導體棒。但是在實驗測試時，發(fā)現(xiàn)導體棒周圍磁場較小，很難使細鐵屑重新分布，也難以使小磁針轉動方向，同時導體棒容易發(fā)熱，所以沒有選用導體棒。為了增大電流、減小發(fā)熱量，想到可以利用銅漆包線并聯(lián)來實現(xiàn)。因此，器材中間是用一條長為20 m、直徑為1.16 mm的漆包線繞制而成的15匝矩形導線框，中間直導線就可以看成15匝電流并聯(lián)的直線電流。為直觀顯示中間直導線的電流方向，教具上安裝了焊接成箭頭形狀的發(fā)光二極管（LED燈），紅燈亮表示電流向上，綠燈亮表示電流向下。

圖2 直線電流磁感線演示儀

由于發(fā)光二極管工作電壓較小，我們串聯(lián)一個滑動變阻器來保護電路，再與自制教具并聯(lián)，電路圖如圖3所示。

圖3 自制教具電路

3.2 實驗器材

自制的直線電流磁感線演示儀、磁傳感器（圖4）、學生電源、小磁針、細鐵屑、攝像裝置、滑動變阻器、導線等。

圖4 磁傳感器

4 實驗過程與結論

為了讓學生能夠更清楚地觀察到實驗現(xiàn)象，實驗操作時我們用一個攝像裝置來投影整個實驗過程，可以請一個學生上臺來幫助老師投影。

（1）先不連接發(fā)光二極管，在自制實驗儀的兩層水平面板上均勻地撒上細鐵屑，打開學生電源開關，使用4 V直流電壓，同時輕敲兩層面板，直至細鐵屑呈現(xiàn)清晰的分布圖形。可以看到兩層面板上的細鐵屑重新分布后形成了以導線為圓心的一系列同心圓（圖5）。

圖5 通電直導線周圍細鐵屑分布

（2）利用磁傳感器來探究直線電流周圍不同位置的磁場強弱。將磁傳感器與電腦連接，打開朗威DISLab軟件，進入實驗專用界面，選擇磁感應強度的測量，并將磁傳感器調零，接著用它來探究直線電流周圍不同位置的磁場強弱，結果發(fā)現(xiàn)距離電流越遠磁場越弱。

（3）將四枚小磁針放置在導線周圍的不同位置，連接發(fā)光二極管，閉合開關，調節(jié)滑動變阻器，紅燈亮說明直線電流方向向上，從上往下看，發(fā)現(xiàn)小磁針靜止時N極沿逆時針方向。然后改變電流方向，閉合開關，綠燈亮，電流向下，小磁針最后靜止時N極沿相反方向，即順時針方向（圖6）。

圖6 通電直導線電流與周圍磁場方向

通過實驗可以發(fā)現(xiàn)，直線電流周圍空間的磁感線是垂直于直導線的一系列同心圓。結合磁感線的形狀、強弱以及小磁針靜止時N極的指向，我們就可以得出直線電流在周圍空間的磁感線分布情況，可以播放直線電流周圍磁感線動畫來幫助學生理解。同時，我們也可以用安培定則來判斷直線電流跟其磁感線方向之間的關系，即用右手握住導線，讓伸直的拇指所指的方向與電流方向一致，彎曲的四指所指的方向就是磁感線環(huán)繞的方向。

5 自制實驗儀的創(chuàng)新點

（1）具有教育性。自制實驗儀符合新課程教育改革的理念，能激發(fā)學生的科學興趣，促進學生主動學習，在探究直線電流周圍磁場及其方向與電流關系的實驗中，效果明顯直觀，有助于教師演示和學生實踐，培養(yǎng)學生的探究精神和動手能力。

（2）具有創(chuàng)新性。自制實驗儀在以往探究直線電流周圍磁場的實驗裝置中屬于首創(chuàng)。創(chuàng)造性地將細鐵屑設置在電流周圍不同層面上，有助于學生領悟電流周圍磁場的立體空間觀念。在探究直線電流與磁場方向的關系中，利用發(fā)光二極管來顯示電流方向，歸納總結出安培定則，非常形象直觀，有利于學生建構物理模型，培養(yǎng)創(chuàng)新精神。

（3）具有科學性。磁傳感器的應用將數(shù)字化實驗引入課堂，能夠快速、準確地對磁場進行測量和處理，極大地增強了物理實驗的科學性，同時讓學生體會到科學發(fā)現(xiàn)和探究的科學責任與態(tài)度，激發(fā)學生學習探究的興趣，培養(yǎng)科學思維，促進物理觀念的形成。

6 結束語

物理是一門實驗科學，在“三新”（新課改、新課標、新高考）的背景下，對學生的科學思維和科學探究能力的培養(yǎng)愈加重視。直線電流磁感線演示儀的使用不僅能有效解決傳統(tǒng)實驗的不足，還能直觀、立體地模擬直線電流周圍的磁感線，探究、總結出安培定則，極大地增強物理實驗的科學性，有利于學生經(jīng)歷科學探究過程，培養(yǎng)學生的探究能力、創(chuàng)新能力和科學思維，促進學生物理核心素養(yǎng)的發(fā)展。