小学科学教学中自制简易磁力计的研究与应用

胡方平

在教科版小学科学三年级下册教材中，有一个关于磁铁的单元，其中第3课讲的是“磁铁的两极”，这节课的教学目标之一是要让学生知道磁铁上磁力最强的部分叫磁极。为此，教材安排了“研究磁铁什么地方磁力大”的实验活动，通过在条形磁铁上取五个不同部位分别悬挂回形针，记录每个部位所能吸住回形针的最多个数，从而比较出磁铁上什么部位磁力最强，进而认识磁极这一概念。然而，这种实验方法是存在问题的：第一，仅仅通过检测条形磁铁上五个部位的磁力大小就贸然得出磁铁上什么部位磁力最强的结论是不严谨的，在学生还没有掌握磁铁磁性特点时，只有不间断地检测磁铁每一个部位的磁力大小，才能真正得出磁铁上什么部位磁力最强的结论。第二，学生在条形磁铁上悬挂回形针时，条形磁铁靠中间部位的回形针容易被磁铁两极吸引，不能很好地稳定悬挂在检测部位，实验难度较大，学生不易操作。第三，这种方法需要学生小心地逐个增加回形针，耗时较长，因操作不当而造成失败的概率较高，效率低下。

为了克服现有教材中实验方法的不严谨、操作难度大、耗时低效等问题，本文提供了一种簡易磁力计方案，用简易磁力计对条形磁铁各部位的磁力进行全面、快捷的检测，使“磁铁什么地方磁力大”的问题得到严谨、便捷、高效、低成本的解决。那么，这个简易磁力计运用的是什么原理？怎样制作呢？下面，我进行详细介绍。

一、工作原理

我们在平时很容易观察到这样一种现象：把一个指南针放置在桌面上，指南针会慢慢静止下来，指针指向南北方向，不管怎么放置，指南针总是指南北方向不变，这是指南针的特点。但当我们拿出一块磁铁去靠近这个指南针时，会发现这个指针发生了偏转，而且磁铁离得越近，指针偏转得越厉害。是什么原因改变了指南针指南北的特性，使指针发生了偏转呢？那是因为指南针受到了地球磁场以外其他磁场的干扰，也就是靠近它的那块磁铁的磁场的干扰。又是什么原因使指针的偏转幅度不同呢？那是因为指南针受到磁场干扰的强度不同，磁铁离得越近，指南针受到磁场的影响越强，指针偏转角就度越大。相反，磁铁离得越远，指南针受到的磁场影响越弱，指针偏转角度就越小。这一现象给了我启发，指南针的偏转不正好反映了磁场的强弱吗？

那是不是使用指南针就一定能准确指示出磁铁各部位的磁力大小呢？为了能解决这个疑问，我又做了不同的实验。这次找了一块圆形的强磁铁，厚度只有2毫米，通过对比普通铁氧体条形磁铁，发现它的磁性强得多。照理说，在和指南针距离相同的情况下，强磁铁能使指南针的指针偏转的角度更大。但实验结果出人意料，磁性较弱的条形磁铁反而容易使指南针指针发生较大偏转，磁性很强的强磁铁却没有使指针发生明显偏转。这一结果有点不可理解。其中原因是什么？为什么会这样？然后我又尝试改变磁铁和指南针的距离，把磁铁放在离指南针很近的地方，结果情况发生了逆转，强磁铁极大的干扰了指南针，指针偏转到了极限，远远超过条形磁铁的影响。

为何同样两块磁铁，只是因为和指南针的距离不同，实验结果天壤之别呢？对此，我对这两块磁铁进行了分析。铁氧体条形磁铁磁性较弱，但它较长，大约20厘米，圆形强磁铁磁性很强，但很短，只有约O.2厘米。较长的条形磁铁两极距离远，磁力线是以大直径的圆环分布的，作用距离远；而圆形强磁铁两极非常近，磁力线是以小直径的圆环分布的，作用距离很近。这就解释了为什么给人感觉磁性极强的圆形磁铁离指南针较远时指南针几乎感受不到它的磁场，而距离很近时，指南针又受到它极其强烈的干扰。这一点，也提醒我，指南针虽然能感受磁场的强弱，但它不能准确感受远距离的磁场强度，必须近距离。这是因为指南针并不能隔空感受磁铁的磁场强度，它能感受到的只是通过它自身指针上的磁力线的强度。这和在磁铁上挂回形针一个道理，回形针是接触磁铁的，所以能反映出磁铁接触部位磁力的大小。所以，如果要用指南针的方式检测磁铁不同部位的磁力大小，理想状态应该是指南针的指针和被检测部位接触，但这是行不通的。不过我们可以采用较短的指针来尽可能缩短指针和被检测磁铁的距离，这对于绝大部分被检测磁铁来说已经没有问题了。

还有一个问题，指南针的指针永远指南北，而且必须水平放置，如果直接用它来做磁力计，使用时会受到很大限制，让人感觉不便。解决的方法是用一块小磁铁代替地球磁场，让它固定磁针的方向，这样使用起来就不受限制了。此外，用小磁铁替代还有一个好处，就是可以调节小磁铁和磁针的距离，从而可以控制这个磁力计磁针的灵敏度。

当然，这个简易磁力计不能很精确地定量检测，只能定性检测，也就是能大概地看出磁力的强弱，不具有精确性，但对于小学生而言，对于教材的要求而言，已经足够了。

二、设计制作

下图是结构设计图，采用一根小磁针，可以用缝衣针自制，长约14毫米，用轴固定在底盘中央，磁针上链接一个塑料指针，和磁针互相垂直，在磁针旁边放置一块小磁铁，小磁铁距离磁针大约1厘米。在小磁铁的作用下，磁针始终固定一个方向。在底盘下部红色位置为检测点，检测点距离磁针大约1厘米。需要检测磁铁什么部位，就把磁铁这个部位对准检测点，磁针就能发生偏转，偏转角度由检测点磁铁磁力的大小决定。

磁力计的外壳（底盘和手柄）采用3D建模，3D打印生成，可以确保精确度和美观度。磁针用缝衣针自制，另外还需要用缝衣针制作一根固定轴。塑料指针可以用3D打印，也可以用牙签代替。另外还需要准备一块小的条形磁铁。

这个简易磁力计的制作力求做到美观、指针指示准确、灵敏，不易出现故障，这就要求制作一个精细的外壳，以使磁针、轴、轴的卡槽能精确配合，尽可能减少摩擦阻力，使磁针能灵活转动。传统手工制作比较困难，为此，采用3D建模和3D打印技术进行较精确的制造。下面是用3D软件设计的三维模型图。

三、测试改进

3D打印机打印出的外壳质量很好，精度较高，经过装配，缝衣针做的轴、磁针、指针都能准确安装到位。小磁铁嵌入一块小珍珠棉内，然后塞入壳内，调整到适当位置，磁针转动灵活又能稳定地指向中间，符合预期效果。最后，用AB胶粘牢外壳，整体装配完成。经过测试，发现用磁铁靠近这个简易磁力计后，指针能较好地偏转，但偶尔有卡顿现象。经分析，发现要使磁针灵活转动，关键在于轴，轴的好坏直接影响到使用效果。用缝衣针自制的轴如果两端没有完全磨尖，不够光滑，那么在磁力的作用下，这种轻微的瑕疵会使它转动时阻力大增，结果就出现了指针有偶尔卡顿的现象。经过改进轴，使其两端都磨尖锐，表面都磨光滑，阻力大大降低，指针转动非常灵活，卡顿现象不再出现，简易磁力计工作良好。

四、使用效果

用这个简易磁力计去测试一块条形磁铁，测试五个不同部位，测试结果令人非常满意，简易磁力计指针反应灵敏，偏转角度差别明显，磁铁各部位的磁力大小一目了然，效果相当不错。见下图：

选取一个班级做对比实验，共12组学生，每一组学生都分别用挂回形针和用简易磁力计测量这两种方法来研究“磁铁什么地方磁力最大”这一问题，经过统计，发现用挂回形针的方法平均耗时约5分钟，用简易磁力计的平均耗时约半分钟。让学生对比两种方法，提问：“你更喜欢用哪一种方法？”调查结果显示约84%的学生更喜欢用简易磁力计测量的方法。继续提问：“你对简易磁力计的原理感兴趣吗？你想了解吗？”调查结果显示约80%的学生非常感兴趣。在对学校6位科学教师的调查中发现，6位教师都认为简易磁力计是能检测出磁力大小的，其中5位教师认为可以作为一种实验手段来使用。综合各方面调查结果来看，此简易磁力计使用效果还是很不错的，有一定的使用价值。

简易磁力计的研制不是要刻意改变原来教材上的实验方法，它仅仅是实验方法的一种补充，是学习了磁铁这一单元后给知识的运用提供了一种可能，也可以作为学生学习磁铁知识后的一种课外小制作活动，更可以作为学校STEM教育的一种课程资源。

总之，对简易磁力计的研究和制作是很有意义的，它可以进一步激发学生强烈的学习兴趣和探究欲望，培养学生发现问题、分析问题、解决问题的能力，让他们不仅仅知识上有所增加，更让他们在能力上有机会得到提高。

[作者单位：苏州市实验小学 江苏]