自制两只仪器 弥补教材不足 清除理解障碍

潘林顺++徐永明

摘 要：教材对通电螺线管磁场和“旋转的液体”器材选择的处理，有不足之处，通过自制两只仪器，能很好的弥补不足.仪器或通过老师演示，或让学生亲身体验，明显的实验现象给学生以强烈的刺激，激发学习的兴趣，有利于清除学生理解的障碍.

关键词：自制；仪器；实验；课堂设计

新课标人教版3-1第三章第3节“几种常见的磁场”，对通电螺线管内外磁场如何分布，是从环形电流的磁场类推而来的，缺少实验探究或验证，学生将信将疑，说服力不足.第4节“通电导线在磁场中受到的力”，其中“旋转的液体”存在实验器材选择和实验现象不明显等缺点.为此，结合教学实际需要，自制两只仪器，弥补教材不足，清除思维障碍.

一、器材介绍

1.仪器之一：塑料水瓶螺线管

[就地取材]瓶身为圆柱体的透明塑料瓶（如“富力饮”牌饮用水瓶），漆包线三米，小磁针数枚，30cm长塑料尺一只，干电池四节，电池盒一只，电键几只，导线一根，胶带一只，美工刀一把.

[仪器制作]如图1所示，在塑料瓶的中部开一个长约5cm，宽约3cm的长方形孔（照片中方孔看不清楚，插支笔显示方孔的位置），方孔的作用是为了教学投影时不反光，有利于学生在下面看清瓶内小磁针的转动情况.在瓶的侧面绕上漆包线，线距约6mm左右，过疏磁场不够强，过密透视效果不好.瓶底处和瓶颈处多绕几匝，一是便于用胶带固定，二是为了增强磁场.瓶底处用胶带贴着可上下翻动的纸质箭头，用来指示电流的方向.最后切去瓶底，便于放进直尺小磁针等，制作完毕.

[操作方法]如图2，将四节干电池、电键和塑料水瓶螺线管连接电路.螺线管东西方向放置，确保通电后，螺线管内部的磁感线东西方向.通电后，电流方向如图所示，瓶盖端是N极，瓶底端是S极.在长尺上放两枚适当相距的小磁针（距离过小两者会互相干扰），小磁针南北指向，把长尺缓慢地伸进螺线管内部，小磁针同尺一起进入，最终一枚在螺线管内部，一枚在外部，观察小磁针的两极指向；小磁针再放到螺线管周围，观察小磁针两极指向.改变螺线管中的電流方向，重复上面的操作.

[实验现象]当瓶盖端是N极时，在螺线管内部，静止的小磁针1的N极（浅色）指向螺线管的N极（瓶盖端），S极（深色）指向螺线管的S极（瓶底端）；在螺线管外部，小磁针2的N极指向螺线管的S极；在螺线管周围移动小磁针，小磁针的N极指向不断发生变化.改变电流方向得到类似现象.

[仪器评估]实验室购买的螺线管一般都是多层密绕线圈，即不透明，螺线管的直径一般也比较小，放不进小磁针，不便于用小磁针检验螺线管内部的磁场.“塑料水瓶螺线管 ” 取材广泛，学生也可自己制作，能有效提高动手能力和改进实验能力；操作简单，如在多媒体展台上展示，在屏幕上得到放大的螺线管与小磁针的画面，一目了然，有利于分析探究；塑料瓶侧面的孔，大大提高了投影效果，学生能体会到小细节的大作用.

教材以线圈的磁场合理推理通电螺线管的磁场分布，如果再加上通电“塑料水瓶螺线管 ”实验的探究或验证，学生学起来就轻松自然，有理有据了.

2.仪器之二：液体电动机

[就地取材]直径8.4cm圆柱透明食品盒一只，大橡皮擦（9cm 6cm 1.2cm）一块，从废弃电瓶车电机上拆卸强磁铁（2.4cm 1.3cm 0.3cm）6块，家庭装修铜导线（直径2mm）长40约cm，漆包线（起固定作用）50cm，墨水一瓶，饱和食盐水一杯，白纸碎屑十片左右，干电池四节，电池盒一只，短导线两根.

[仪器制作]如图3所示，刀片削去橡皮边角，刚好能放进食品盒为宜，用漆包线把六块磁铁固定在橡皮擦上，且使同一极性朝向相同.取30cm长铜导线，去掉绝缘层，弯成一个直径约为7cm的带直杆圆环，直杆靠近食品盒壁插在橡皮擦的边缘（作为一个电极），去掉绝缘层的长7cm铜导线插在橡皮擦的正中央（作为另一电极），制作完毕.

[操作方法]在图3装置中倒入适量的饱和食盐水，用饱和食盐水代替水是为了减小电阻，滴几滴墨水，搅拌均匀.洒上白纸碎屑，漂在水面上.插在中央处的铜棒与电源的正极相连，圆环与电源的负极相连.

[实验现象]如图4所示接通电路后，碎纸屑随盐水一起转动起来，圆心处阳极有大量气泡产生（氯气），阴极圆环也附着大量气泡（氢气）.由于墨水与纸屑一黑一白，现象非常明显.如果将正负极换接，碎纸屑随水一起反转起来.

[仪器评估]教材中“旋转的液体”的实验图是效果图，不是照片，原理当然正确，但动手做起来发现有许多不足.首先，装置不能做得大些.淘宝网上出售的特大蹄形磁铁的臂宽只有3cm，两臂之间距离也只有8.6cm，没办法做成较大的装置.其次，蹄形磁铁磁性不够强.蹄形磁铁的材料决定了磁性不够强，液体旋转不明显.第三，装置不便于投影.玻璃皿放在两臂之间，投影时液体被磁铁遮挡而观察不到，只适合围着装置近距离观察，不适宜课堂上所有同学观察.“液体电动机”克服了以上不足，装置还可做得更大，磁性也很强，可放在展台上投影，全班同学都能看得清清楚楚.

二、自制仪器使用案例分析

第4节“通电导线在磁场中受到的力”课题名称本身也容易误导学生，“液体电动机”实验之前，有少数学生误以为与电源连接的导线受到力，实验后发现液体旋转起来而所有的导线没动，才知道是通电液体在磁场中也受到力，还可以根据实验现象分析巩固最近发展区.教学建议：将本节课题改为“电流在磁场中受到的力”，电流不仅仅可以是通电导线，还可以是通电液体，以及下一节的运动电荷等，只要电流方向与磁场方向不平行，就一定受到磁场力.

学生学习第3节时，因思维定势的消极作用而犯错误的现象，屡见不鲜，下表是教学设计片断，展示如何清除理解障碍.

塑料水瓶螺线管 问题1：螺线管中通以如图5所示电流，小磁针的两端极性如何？理由是什么？ 学生摆弄右手，很快得出螺线管右端是N极，从而得出小磁针的左端是S极，右端是N极.学生给出的理由：同名磁极相互排斥，异名磁极相互吸引.这个理由也早已成为学生的惯性思维 1.巩固刚学“安培定则”；

2.学生不习惯用“静止小磁针N极指向与该点磁场方向相同”的方法，此题为惯性思维而导致的错误判断埋下伏笔

问题2：螺线管中通以如图6所示电流，把小磁针放进螺线管内部，小磁针的两端极性如何？理由是什么？ 学生的认知产生矛盾：大多数同学认为小磁针的左端是N极，右端是S极，理由同上；少部分同学认为小磁针的左端是S极，右端是N极，理由却说不清 同样的理论“安培定则”，同样的规律“同名磁极相互排斥，异名磁极相互吸引”，但同学们得出不同的结论.引发同学们思维冲突，激发学生争论与强烈地求知欲望.自然过渡到下面的实验

实验探究：介绍塑料水瓶螺线管的结构、原理和操作方法等，让学生在“争吵”中預期实验现象 教师指导下，让学生上讲台实验探究，观察通电塑料螺线管两端、内部以及周围静止小磁针的N极指向，图7为俯视图，瓶东西方向放置，瓶盖朝西. 1.“静止小磁针N极指向与该点磁场方向相同”是判断小磁针N极指向与磁场方向的根本方法，适用于任何磁场，如螺线管内外；

2.“同名磁极相互排斥，异名磁极相互吸引”只适用于磁体外部.

图7中小磁针4的指向为什么不与螺线管轴线平行？师生继续探讨……

三、制作花絮

“通电水瓶螺线管”内部和两端的磁性很强，小磁针能很好地指示方向，而在螺线管外面中部磁性很弱，不能象条形磁铁那样使小磁针指向沿轴线方向，同事们曾想多绕匝数，可匝数太多透视效果又不好，后来干脆把这个“效果不好”作为新的教学资源，就设计了问题：图7中小磁针4的指向为什么不与螺线管轴线平行？教学过程中，学生参与热情高，理解也透彻，教学效果很好.

制作“液体电动机”时，原来没有在饱和食盐水中放入墨水，盐水虽然旋转，现象很不明显，即使靠近仔细观察，也不宜觉察.后来同事放入几滴墨水，再加入白纸屑，既增加了颜色对比，白纸屑又作为液体旋转示踪标记，现象就十分明显了.淘宝网也有强磁铁卖，但我和学生在废弃电机上拆卸时，学生对电机的内部结构等都很好奇，或许这次制作活动的意义，多年后才能在学生身上有所体现……

教育部颁布的《普通高中物理课程标准》（实验）要求：“教师应该积极开发适合教学的实验项目……提倡使用身边随手可得的普通物品做物理实验.”“把学生在活动、实验、制作、探究等方面的表现纳入评价范围，不以书面考试为唯一的评价方式.”可见，新课标对实验开发和仪器制作非常重视，倡导并推进多种学习方式，提高学生科学素养.我国教育发展水平很不平衡，还有许多学校实验器材不足，如果师生积极利用身边物品，开发经济实用的器材，充实和丰富课堂教学，显得尤为重要.

[作者介绍]

潘林顺，男，中学高级教师，江苏省“333”工程培养对象，盐城市高中物理学科带头人，省物理奥赛高级教练员.一直在一线高中教学，有多篇文章在核心期刊发表，主持或参与多个省级课题，教学业绩显著，多次受到政府综合表彰.