创新实验探究通电螺线管的磁场空间分布

乔树洁 徐国萍 任振颖

摘 要：磁场的空间分布对学生理解磁场及其性质具有重要作用.教学实践证明，学生对磁场的前概念停留在表象及平面范畴，对磁场方向性和空间性理解不够，而通过创新实验器材可以使学生获得生动的感性认识，在此基础上对实验现象进行科学分析和概括，进一步探究磁场的本质.本文结合探究通电螺线管外部磁场的规律和特点，应用创新性实验器材进行磁场规律的探究.

关键词：磁场;磁场空间分布;条形磁体;通电螺线管;实验探究

中图分类号：G633.7 文献标识码：B 文章编号：1008-4134（2021）08-0031-02

1 制作背景与创新点

1.1 实验教学内容分析

探究通电螺线管外部磁场方向位于北师大版物理教材九年级第十二章第三节，是课标对于“运动和相互作用”部分内容提出的9个必做探究性实验之一.同时，电流的磁效应也是学习电磁现象的重要基础.本章的核心内容是建立电和磁之间的联系，通过探究通电螺线管的磁场是在通电导线产生磁场的基础上形成的，再次将电和磁统一起来，在电流产生的磁场方向和电流方向之间建立起联系，进而总结规律.探究通电螺线管外部磁场方向是在已知磁场方向性和空间性的基础上，类比条形磁体的磁场方向，再次加深对磁场的理解，为今后学习“场”这一空间概念奠定基础，也是可持续发展的物理学习的必要基础.

1.2 实验教学价值分析

通过实验将通电螺线管外部磁场的分布用小磁针进行显示;将抽象的磁场直观化，不仅能展示平面内磁场的分布特点，而且能展示360度空间范围内磁场的分布特点，借此提高学生的空间感知效果，增强空间想象力，深刻体会“场”这一空间概念.通过观察通电螺线管外部磁场的分布特点及条形磁铁的磁场分布特点培养学生的观察能力和获取信息能力，并通过类比的方法科学推理出通电螺线管外部磁场的方向特点.进一步改变电流方向，再次观察通电螺线管外部磁场分布特点，引导学生勇于质疑，并针对提出的问题设计实验进行科学论证，最终得出通电螺线管外部磁场方向与电流方向有关.完成了活跃思维—主动探究—发现规律—解决问题的系列过程.本设计用实验将抽象的自然规律与学生现有思维能力之间搭建起了一座桥梁，促使学生对科学概念规律的认识由感性向理性升华.

2 创新点

用不同平面内小磁针的分布和指向直观展示空间看不见的磁场，渗透转化的思想，将抽象概念直观化.通过描述小磁针指向特点，逐步建立磁感线的模型.通过建立磁感线模型的过程，理解磁场和磁感线的区别联系.用于观察条形磁体、通电螺线管、电磁铁的360度空间内磁场分布特点，探究磁场分布规律;建立磁感线的模型.

3 仪器结构及材料

3.1 结构图及材料

（1）支架——用于固定和支撑磁体及旋转板.材料为亚克力板（如图1所示）.

（2）旋转板——用于展示磁体周围空间的某一平面（如图2所示）.材料为亚克力板.

（3）磁针转动轴——用于固定磁针支架.材料为铜丝.

（4）旋转轴——用于连接旋转板与磁体.材料为金属杆.

（5）磁体放置区——用于放置磁铁或通电螺线管.材料为PVC管.

（6）磁针支架和配重——用于固定小磁针，为小磁针支架在空间内自由旋转提供动力.材料为塑料和橡皮泥（如图3所示）.

3.2 实验探究通电螺线管外部磁場方向实验

3.2.1 实验步骤

（1）将展示板调至水平，安装调试小磁针，观察记录小磁针静止时N极指向.

（2）安装条形磁体，观察小磁针变化，记录小磁针静止时N极指向，如图4所示.

（3）在空间360度范围内旋转展示板，改变小磁针所在的平面，观察空间各个平面内小磁针静止时N极指向，并记录下竖直平面内小磁针静止时N极指向，再任选一个不同平面，记录下竖直平面内小磁针静止时N极指向，如图5所示.

（4）当展示板再次旋转至水平面时，卸下条形磁体.

（5）安装螺线管，未接通电源，观察小磁针指向分布.

（6）展示板调至水平位置时，接通电源，观察记录小磁针静止时N极指向，如图6所示.

（7）在空间360度范围内旋转展示板，改变小磁针所在的平面，观察空间各个平面内小磁针静止时N极指向，并记录下竖直平面内小磁针静止时N极指向，如图7所示.再任选一个不同平面，记录下竖直平面内小磁针静止时N极指向.

（8）调换电源正负极，观察记录小磁针在竖直平面内静止时N极指向，如图8所示，当展示板再次旋转至水平面时，断开电源.

（9）分析数据，类比条形磁体，确定通电螺线管的N、S极.

（10）将小磁针N极的指向用箭头画出，用平滑的曲线沿着箭头方向将通电螺线管的N、S极连接起来，即画出磁感线，如图9所示.

3.2.2 实验结论

对比图4和图6通电螺线管外部磁场空间分布与条形磁体相似;对比图6和图8及任一平面内指针分布（未列出）通电螺线管外部范围内磁场的方向都是从N极出发指向S极;对比图7和图8通电螺线管外部的磁场方向与电流方向有关.

4 教学反思

借助旋转平面来描述磁场空间分布的想法来源于古代“被中香炉”，这一将抽象概念直观化的演示方法，不仅能展示水平面内磁场的分布特点，还能够展示360度空间范围内磁场的分布特点，更是传统文化影响现代教学的一种体现.提高了学生的空间感知能力和空间想象能力，促使学生对科学概念规律的认识由感性向理性升华.不足之处在于实验器材的精细化程度和美观度可进一步提高.

参考文献：

[1]戎杰.以“几种常见的磁场”教学为例浅谈科学思维的培养[J].物理教师，2019，40（02）：41-43.

[2]田序海，郑文峰.在概念教学中提升学生核心素养的实践尝试——“磁现象和磁场”教学片段赏析[J].物理教学探讨，2018，36（07）：14-16+18.

[3]杨丹婷，李丰果.条形磁铁磁场空间分布的实验探究[J].物理教学探讨，2018，36（11）：48-52.

[4]何永周.永磁体外部磁场的不均匀性研究[J].物理学报，2013，62（08）：145-151.

[5]徐永明，徐健.巧用强磁铁改进实验 创新物理实验教学[J].中学物理，2016，34（19）：64-65.

（收稿日期：2020-11-30）