“探究磁体周围磁场”系列实验的研究与重构*

朱峰磊

(江阴市华西实验学校 江苏 无锡 214400)

1 教材分析

物理课程是一门注重实验的自然科学基础课程.苏科版教材[1]尤其注重学生通过观察、实践、体验等方式经历科学探究过程.苏科版物理九年级下册“磁体 磁场”一节内容的教学顺序为“观察磁现象—认识磁场—描述磁场—应用磁场”[3]，符合了从现象到本质的认知规律.该教材以类似剥洋葱的层级递进的教学思路推进着教学活动的开展.同时《义务教育物理课程标准(2011年版)》明确指出要“通过实验”认识磁场[2]，突显了实验在磁场教学的重要作用和积极意义.

著名的诺贝尔物理学奖获得者丁肇中先生说过：“实验可以推翻理论，理论绝对不能推翻实验.‘相对论’要是没有实验证明的话，是没有意义的.”丁肇中先生一直强调物理实验对于物理学习的重要性.初中物理学习是学生在物理学习生涯中的起步阶段，学生只有通过简洁有效的实验探究才能更好地获得物理知识与技能.通过实验探究使思维进阶，符合学生的认知规律.因此初中阶段的物理实验就显得格外重要！

2 实验现状分析

2.1 平面磁场分布器材的分析

磁场平面演示板：在预设的位置上固定若干可自由转动的小铁片.未放入磁体时，小铁片的指向无规律，如图1所示.

在中间位置放入强磁体，轻敲底板，小铁片的转动呈现一定规律，将磁体周围的磁场显现，如图2所示.

图2 放入磁体的磁场平面演示板

分析：实验操作简单、现象明显，学生较容易得出条形磁体周围磁场分布特点.小铁片可以自由转动，但铁片位置是有计划的人为设定，无法通过平面局部铁片疏密分布说明磁场的强弱，磁场分布规律缺乏自然的生成过程.

苏科版物理九下教材设置学生活动16.3中，用铁屑探究磁体周围的磁场：将有机玻璃放在条形磁体上面，在玻璃上均匀地撒一些铁屑.轻轻敲击玻璃板，让铁屑有序排列，将磁场的分布显示出来，如图3所示.

图3 条形磁体周围平面铁屑分布

分析：教材实验安排，在单一平面内的探究磁场分布，操作简单，现象明显，学生较容易得出条形磁体周围磁场分布特点.但是这种单一平面内的实验现象，若缺乏对于磁体周围磁场空间分布的必要说明，那么学生对于磁场的认知就可能存在缺陷.然而受到现有实验器材条件的限制，学生看到的平面化的实验结果并非磁场的真实全貌.由于无法呈现出磁场空间分布的全貌，这就会导致学生对磁场形态形成平面化的片面认知.

在受到实验器材条件限制时，教师可以采用如下理论化的分析方法：以已有的条形磁体平面磁场为基础，由于条形磁体在空间上是对称的，因此条形磁体在立体空间内也存在磁场，并且每一个轴向旋转对称平面内的磁场分布应是一致的.这样，教师就可以引导学生发挥空间想象力，构建一个想象而成的条形磁体的空间磁场图像；必要时，教师还可以展示空间磁感线分布图4供学生参考.尽管如此，立体的空间概念以及相应的解释，对于初中生来说仍有较大的难度.

图4 条形磁体空间磁感线分布图

2.2 空间磁场分布器材分析

6块磁场平面演示板互成60°夹角立体组合，形成根据3个平面磁场分布粗略反映磁场空间分布的模型.未放入磁体时，磁场空间演示板小铁片的指向无规律.当在中间位置放入强磁体，轻敲器材，小铁片的转动呈现一定的空间分布规律，将磁体周围空间磁场分布显现出来.实验现象如图5和图6所示.

(a)未放磁体

(b)放入磁体

分析：实验最大优点是呈现了条形磁体周围磁场空间分布特点.小铁片磁场分布规律缺乏自然的生成，同时由于仅有3个平面的呈现，磁场立体空间感稍显不足.

3 实验重构思考与实践

根据对教材安排和现有器材的分析，结合现有实验的优点和不足，笔者提出自己思考和实践.

思考：在水平面内磁体磁场分布用铁屑可以较清晰地呈现.由于重力的影响，用自由铁屑在其他平面内呈现比较困难.位置的固定小铁片可以消除重力的影响，但由于小铁片位置是固定的，实验结论人为干扰的成分较多，便很难根据铁屑分布疏密反映磁场的强弱.

实践：基于以上思考，笔者提出用自由铁屑撒入黏度较大的透明液体中，抵消重力的影响，呈现磁体磁场空间分布特点.

透明亚克力模具中倒入足量黏度较大的透明液体(例如立白洗洁精、甲基硅油)，如图6所示.在透明液体中均匀撒入适量的铁屑，部分铁屑沉底，部分铁屑悬浮，如图7所示.用亚克力胶将带凹槽的透明亚克力板密封粘合在模具上，如图8所示.

图6 模具中倒入透明液体

图7 撒入适量铁屑

图8 封上带凹槽的盖子

摇晃模具，使液体中的铁屑均匀分布.在凹槽中嵌入强磁体，原本静止的铁屑受到磁力的作用瞬间在液体中“游动”，如图9所示.用两块模具对合，将磁体嵌入各自凹槽，使含有铁屑的液体全方位包裹强磁体，待静止后呈现磁场空间分布规律，如图10所示.

图9 凹槽中嵌入磁体后液体中铁屑的分布

图10 液体中磁体周围磁场空间分布

通过实验重构，自由铁屑撒入黏度较大的透明液体中，抵消重力的影响，完美呈现磁体磁场空间分布特点.将抽象空间磁场分布具体化、形象化，学生经历完整的探究过程，实验结论更具有说服力、科学性.

4 重构实验评价与反思

笔者将模具内填充不同的透明液体，分别根据各自的实验效果进行优缺点对比说明，如表1所示.

表1 不同填充液体实验对比

磁场是磁现象知识的基础，由于磁场本身的不可见性，增加了学生对磁场认知的难度.学生根据经历探究磁场对进入其中的铁屑等铁磁物质有力的作用的实验，形成了对磁场这种物质的新认知.但由于学生抽象逻辑思维还尚未成熟，真正全面理解“磁场”还有一定难度.

磁体周围立体空间磁场分布的自制实验教具帮助学生建立了从二维平面到三维空间的磁场分布模型，使学生的思维从具体形象向抽象逻辑进阶.