自制教具：电池磁力小火车

罗 慧

(浙江省衢州市紫港中学,浙江 衢州 324200)

自制教具：电池磁力小火车

罗 慧

(浙江省衢州市紫港中学,浙江 衢州 324200)

本文阐述了“电池磁力小火车”教具的制作背景,方法及应用．

自制教具;安培力;实验改进

1 教具制作的背景

人教版3-1磁场这一章中涉及磁场力作用的实验有:奥斯特小磁针的偏转;通电导线在磁场中受到的力;平行通电导线之间的作用力．[1]能直观判断电流对磁铁作用并使磁铁动起来的实验几乎没有．

图1

在视频“‘牛人’制作的‘电池磁力小火车’”中,[2]磁铁和电池一起在弯曲的线圈中运动,笔者将该实验引入课堂,用以展示通电导线对磁铁的作用力．但发现在实验过程中存在以下几个问题:由于线圈比较软,在搬动过程中容易变形,影响电池和磁铁的运动;线圈与空气长时间接触,表面形成不导电的氧化膜影响实验效果;线圈只能平放在桌面上学生不易观察．笔者制作、改进的教具“电池磁力小火车”既方便携带也便于学生观察,符合自制教具直观性,启发性,科学性和简明性的原则．[3]教具实物如图1所示．

2 教具的材料及制作

2.1 材料

5号电池一个;直径16 mm长度10 mm圆柱形强磁铁两个;内径22 mm厚度1.5 mm,内径15 mm厚度1 mm有机玻璃管各一根,长度为80 cm;直径1 mm铜线;厚度为5 mm亚克力板制作的底座．

2.2 制作步骤

绕制线圈:将直径1 mm的铜线在内径为15 mm的有机玻璃管上绕制1段长度为70 cm的线圈,要求线圈间隙基本一致．若用漆包线绕制,需用去漆剂去除表面绝缘漆．将绕制好的线圈从玻璃管上取下并放入22 mm内径的有机玻璃管内部．

图2 亚克力支架模型

底座按照图2尺寸将亚克力板用专用胶水进行粘合．

3 实验操作

实验时可以直接手持玻璃管,也可将玻璃管放在支架上进行演示．

图3

保持玻璃管水平,将两个强磁铁按相互排斥的方向分别吸在电池的正极和负极,即电池的正负极与两个磁铁的同一极接触．将安装好的电池轻轻放在线圈的一端,电池便可自动穿过线圈到达另一端,如图3所示,如果感觉明显阻力,可以将电池正负极调转方向后重新放置．

实验完成后将之前用以绕制线圈的内径15 mm的有机玻璃管放入线圈内部,并在教具两端用直径约为25 mm的饮料瓶盖封上,减少与铜丝直接接触的空气,减缓铜丝氧化,使教具可以长久保存与使用．

4 实验原理

从微观角度来看,可以将条形磁铁的磁场等效的看成是由分布在磁铁侧面的等效环形电流产生,通电螺线管产生的磁场对等效环形电流有安培力的作用．[2](见图4)

图4

从宏观角度讲是因为磁铁在受到通电导线所受安培力的反作用力下运动．当磁铁与导线接触时,构成了正极—磁铁—导线—磁铁—负极的回路如图5所示．对其中的任意导线AA′BB′分析,导线A,A′受到的安培力为F,F′它们的分力F1,F1′水平向右,同理B,B′受到的安培力分力F1,F1′方向也向右(图6)．根据牛顿第三定律,两磁铁受到的磁力方向向左,因此磁铁和电池一起向左运动．

图5

图6

5 教具的应用

5.1 应用1:作为“磁场磁现象”的引课

例1.教师先将单独的1节电池,放入线圈．此时学生观察不到任何现象,并会对教师的行为产生疑问．然后再将两个物体(强磁铁)分别吸在电池的两端,可以看到,电池带着物体一起穿过线圈,学生惊讶之至极,教师适时提出问题:“猜一猜能够让电池能在线圈中动起来的两个物体是什么?为什么会有这样的现象?”引入新课．

利用新奇的实验,通过强烈的认知冲突,激发学生求知欲望,再根据由浅入深的课堂教学,从磁场入手最后阐述其原理,帮助学生掌握磁场的概念,提高学生科学思维能力．

5.2 应用2:作为习题课演示实验

图7

例2.如图7所示,一条形磁铁放在水平桌面上,在它的正中央上方固定一直导线,导线与磁铁垂直,若给导线通以垂直于纸面向里的电流,则磁铁对桌面的压力怎么变?[5]

图8

解析:磁铁的磁感线在它的外部是从N极到S极,因为长直导线在磁铁的中央上方,所以此处的磁感线是水平的,电流的方向垂直于纸面向里,根据左手定则,导线受磁铁给的“安培力”方向竖直向上,如图8所示.导线是固定不动的,根据物体间力的作用是相互的,导线给磁铁的反作用力方向就是竖直向下的，因此磁铁对桌面的压力增加．

学生对该问题的分析往往对导线受到的安培力比较熟悉,而不容易想到磁铁受到导线的磁力作用,该力是导线所受安培力的反作用力,容易出错．针对这样的情况笔者在讲到这道题目的时候,先演示“磁动力小火车”实验并让学生思考其原理,在直观认识到安培力的反作用力让磁铁运动的知识基础之上,再让学生解决这道习题,效果很好,基本都能做对．通过实验,转换思维,为学生搭建思维的手脚架,让学生搭上实验的翅膀,增强了感性直观认识有利于提高学生解决问题的能力．

6 结束语

笔者在市优质课及自制教具比赛中展示该实验,受到了评委的一致好评,也明白了教师在课堂教学中不应只盯着教科书的实验,而应该开拓眼界,善用网络,提高自己的信息化水平才能发现更多有利于提高课堂效率的素材并通过改造成为适合课堂的教具．

1 普通高中课程标准实验教科书物理(选修3-1)[M].北京： 人民教育出版社,2010.

2 闫峰.磁动力小火车的驱动原理[J].中学物理教学参考，2015(13):7-8.

3 任伟德.新时期自制教具的原则和特点[J].教育与装备研究，2016(6)：17-22.

4 居汉明.转换思维在习题教学中的渗透[J].理科考试研究，2013，20(9):28-29.

2017-03-12)