对磁场分布演示实验的改进
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摘 要：在高中物理教学中，存在很多抽象概念，学生理解起来非常困难。磁感线就是其中的代表，由于磁感线并非真实存在，只是虚构出来以描述磁场的，学生对磁感线及磁场中磁感线分布规律难以理解。本文旨在通过对课本上磁感线演示实验进行改进，使他们能够对磁感线有一个直观的印象，更好理解磁场中磁感线分布规律。
关键词：磁感线;磁场分布;演示仪
物理学是一门自然科学，它是以研究自然规律为基础的，像物体的运动类型规律都是从实践中得出来的，所以必须以实验为基础，物理实验教学是物理的重要手段和基础，有效的物理教学是实验和理论一同进行的。《高中物理课程标准》指出：“实验室的课程资源不仅限于实验室的现有设备，学生身边的物品和器具也是重要的实验室资源”。事实上，人们早都意识到对这种资源的有效利用，并且把这种低成本材料，如废旧的生活物品，学习用具，废弃材料用到实验中，制作各种实验模型或者是演示仪器。在日本和欧美等发达国家中，现代教育技术水平较高，但他们也会用这些材料来做研究。30多年前，朱正元老教授提出“坛坛罐罐当仪器，拼拼凑凑做实验”的至理名言。然而在农村实验仪器缺乏，按照大纲要求去让每一个学生参与实验每一个实验很难做到，长期下来学生的实验动手能力弱，这就决定了农村物理实验教学和城市学校的不同。所以这里我们采用身边的资源设计实验，让学生带着自己的思想去做实验，降低实验，操作简单，生动有效，让每一个学生带着思想参与到试验中，培养学生的创新能力，激发学生的学习兴趣。
“磁场分布演示仪”是指通电导线（直导线，线圈，螺线管）周围磁场分布的演示仪器，物理教学中常常采用小磁针来可以知道磁体周围某一点的磁感应强度方向，通过反复多次，可以画出磁体周围磁场的分布图像，这样操作复杂，还有不确定性。我们通过做一种磁场分布演示仪，用透明玻璃或者塑料制造一个铁粉盒，里面装的铁粉末，中间两个小孔，然后用电源，通电导线，开关，滑动变阻器，等元件组成一个闭合回路，（1）将通电导线插入小孔，闭合开关，我们发现磁粉组成闭合回路。就可以清晰描述出通电导线周围磁场的分布。（2）将通电线圈分别在两端插入小孔，闭合开关，通过铁粉的分布就可以描述周围磁场的分布。以上两个实验中，通过调节滑动变阻器就可以看到磁场的变换，从而引导学生，那么周围的导体中形成涡旋电流，从而让学生在具体实验中感受到电磁辐射，在生活中尽量远离辐射源。
一、 磁场分布演示实验现状
（一） 小磁针演示实验
在中学物理教科书上，如图1我们是通过在磁铁周围各个点放置小磁针的方法来显示各点的磁场方向，再将各点连成磁感线描述磁场分布。这样的演示实验只是学生能够直观地观察到某些位置的磁场分布，对于其他各个地方的磁场，我们没办法观察到，所以这个演示实验具有一定的局限性。
（二） 铁屑演示实验
如图2是铁屑演示实验，它是利用质量较轻的铁屑受磁场吸引形成磁感线来表述磁场分布的方法。其实验步骤一般为：将条形磁铁上面放一块玻璃，在玻璃上均匀地撒一些铁屑，把磁铁放在玻璃板下方，轻轻地敲击玻璃，我们会看到铁屑形成了磁感线的形状。通过该实验我们可以大概的观察到磁体周围磁场的强弱，但是具体磁场的方向没办法从本实验中观察到，所以该实验的演示具有局限性。
（三） 磁场分布演示仪
如今中学物理教学中出现了如图3所示的磁感线立体演示模型，并在淘宝上得到了大量的销售。相比上面提到的传统方法，这个模型由支架上固定的6个小磁针演示板组成，小磁针在磁场内发生偏转，显示出磁铁周围的磁感线分布。
二、 对磁场分布演示实验的改进
（一） 当前磁场分布演示实验的缺陷
综合对现阶段中学磁感线立体展示实验以及教具模型的研究，我们可以发现，目前对磁感线这个抽象物体的表述还存在很多问题。
最普遍的小磁针演示实验，是教材上的演示方法，沿用了很多年，理论上能够测量空间中任意点的磁场方向，但也存在着非常明显的缺陷，如果想构成一条磁感线，就要对这条线上的所有点的磁场方向进行测量，而想表述空间内的磁场分布，更是需要对空间内的所有点进行测量。这种方法需要进行大量重复性的工作，效率非常低下，并且需要学生利用空间想象力将各点的磁场方向构成磁场分布图像。对很多学生来讲，这是一个非常困难的事情，所以演示效果比较差。
铁屑法是小磁针演示实验的改进，能够表达平面上的磁感线分布。但这种方法只能演示磁感线的形状分布，并不能表示磁场方向。而且受限于水平面，不能对立体空间内的磁感线分布进行表述。
第三个模型，能够讓学生直接观察磁感线的立体分布，相比前两种方法有了很大的改进。但从细节上看，这种方法还不够严谨。一是它采用了6个固定平面来描述磁场的空间分布，但是理论上空间内能够存在无限多个平面，6个平面表述磁场分布的做法说服力还不够，二是这个模型虽然采用了小磁针的原理，但是并没有标注磁极，导致磁场方向无法判断。三是受限于模型的结构，仅能演示条形磁铁、U形磁铁周围的磁场分布，对通电导线、通电螺线管等的磁场分布并不能进行演示。
（二） 对磁场分布演示实验的改进
相比较而言，第三个模型实验效果最直观，并且在淘宝等平台上开展了商用，只要解决了提出的三个缺陷，就能取得更好的效果。解决6个平面描述磁场空间分布说服力不够的问题有两种方法：一是增加平面的数量，尽可能多的平面就能更准确地去描述磁场的空间分布。但这种方法属于治标不治本，空间内存在无限多个平面，而模型的平面之间总存在间隙，仍然存在不严谨的问题。而且过多的平面及小磁针的使用会使演示效果大打折扣，观察起来很不直观。二是对模型基座进行改进，使平面能够在空间内进行转动。这样要观测空间内任意平面的磁场，只需将平面转动到相应的位置就行了，不影响演示的效果。这个方法的另一个好处是能够同时解决通电线圈、通电螺线管等周围的磁场分布演示问题。而解决磁场方向的问题，只需按照规定在小磁针N极、S极涂上相应的颜色即可。为了演示效果的直观性，笔者对此进行了一个小小的改进，在小磁针上使用红色的箭头来表述磁场的方向。 对磁场分布演示实验的改进是指立足于新课程改革背景、以物理教科书知识为基础、以提高学生学习兴趣为目的的创新型实验。新课程教学要求理念的更新，教学方式的变革，然而要达到有效的变革就必须通过具体的课堂教学来实现。物理实验教学能够使物理知识的获取变得生动有趣，形象直观。然而农村高中实验仪器少，教师在上课时又主要进行演示实验或者验证性实验，学生的参与度很低，不能激发学生的学习热情。因此在物理教学中灵活的运用探究性趣味实验，是激发学生学习兴趣，发挥学生主观能动性，全面提高学生综合素质的必然选择。
对磁场分布演示实验的改进是指利用学生身边的低成本原料（学习用品、生活用品、废旧物品等）设计的物理实验，具有费用低廉、取材方便、效果明显、安全可靠等特点。它不仅能弥补农村高中实验资源匮乏的不足，对于提升学生的综合实践能力，也具有独特的推动作用。推行低成本物理实验，是从根本上改善农村高中物理实验教学薄弱现状的有效手段。
实验是物理学探索新规律、获取新知识的基本方法，是物理教学中不可或缺的一环。各种类型的实验，具体形象地展示了物理知识的形成和发展过程，能帮助学生理解如磁场、电场等抽象的概念。實验的设计过程又能为学生分析解决实际问题提供思路和方法。在实验的实施过程中，还能提高学生的实践能力，使他们养成严谨求实的学术作风。因此，提高物理实验教学质量对提升高中物理教学的效果具有不可替代的重要作用。本课题旨在通过在农村中学开展物理趣味实验，吸引每一名学生主动参与到实验中来，达到普及物理实验教学，提高物理教学质量、激发学生学习兴趣、提高学生综合素质的目的。
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作者简介：
杨志娟，甘肃省白银市，甘肃省白银市会宁县第一中学。
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