羅 慧

(浙江省衢州市紫港中學(xué),浙江 衢州 324200)

自制教具：電池磁力小火車

羅 慧

(浙江省衢州市紫港中學(xué),浙江 衢州 324200)

本文闡述了“電池磁力小火車”教具的制作背景,方法及應(yīng)用．

自制教具;安培力;實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

1 教具制作的背景

人教版3-1磁場(chǎng)這一章中涉及磁場(chǎng)力作用的實(shí)驗(yàn)有:奧斯特小磁針的偏轉(zhuǎn);通電導(dǎo)線在磁場(chǎng)中受到的力;平行通電導(dǎo)線之間的作用力．[1]能直觀判斷電流對(duì)磁鐵作用并使磁鐵動(dòng)起來(lái)的實(shí)驗(yàn)幾乎沒有．

圖1

在視頻“‘牛人’制作的‘電池磁力小火車’”中,[2]磁鐵和電池一起在彎曲的線圈中運(yùn)動(dòng),筆者將該實(shí)驗(yàn)引入課堂,用以展示通電導(dǎo)線對(duì)磁鐵的作用力．但發(fā)現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中存在以下幾個(gè)問(wèn)題:由于線圈比較軟,在搬動(dòng)過(guò)程中容易變形,影響電池和磁鐵的運(yùn)動(dòng);線圈與空氣長(zhǎng)時(shí)間接觸,表面形成不導(dǎo)電的氧化膜影響實(shí)驗(yàn)效果;線圈只能平放在桌面上學(xué)生不易觀察．筆者制作、改進(jìn)的教具“電池磁力小火車”既方便攜帶也便于學(xué)生觀察,符合自制教具直觀性,啟發(fā)性,科學(xué)性和簡(jiǎn)明性的原則．[3]教具實(shí)物如圖1所示．

2 教具的材料及制作

2.1 材料

5號(hào)電池一個(gè);直徑16 mm長(zhǎng)度10 mm圓柱形強(qiáng)磁鐵兩個(gè);內(nèi)徑22 mm厚度1.5 mm,內(nèi)徑15 mm厚度1 mm有機(jī)玻璃管各一根,長(zhǎng)度為80 cm;直徑1 mm銅線;厚度為5 mm亞克力板制作的底座．

2.2 制作步驟

繞制線圈:將直徑1 mm的銅線在內(nèi)徑為15 mm的有機(jī)玻璃管上繞制1段長(zhǎng)度為70 cm的線圈,要求線圈間隙基本一致．若用漆包線繞制,需用去漆劑去除表面絕緣漆．將繞制好的線圈從玻璃管上取下并放入22 mm內(nèi)徑的有機(jī)玻璃管內(nèi)部．

圖2 亞克力支架模型

底座按照?qǐng)D2尺寸將亞克力板用專用膠水進(jìn)行粘合．

3 實(shí)驗(yàn)操作

實(shí)驗(yàn)時(shí)可以直接手持玻璃管,也可將玻璃管放在支架上進(jìn)行演示．

圖3

保持玻璃管水平,將兩個(gè)強(qiáng)磁鐵按相互排斥的方向分別吸在電池的正極和負(fù)極,即電池的正負(fù)極與兩個(gè)磁鐵的同一極接觸．將安裝好的電池輕輕放在線圈的一端,電池便可自動(dòng)穿過(guò)線圈到達(dá)另一端,如圖3所示,如果感覺明顯阻力,可以將電池正負(fù)極調(diào)轉(zhuǎn)方向后重新放置．

實(shí)驗(yàn)完成后將之前用以繞制線圈的內(nèi)徑15 mm的有機(jī)玻璃管放入線圈內(nèi)部,并在教具兩端用直徑約為25 mm的飲料瓶蓋封上,減少與銅絲直接接觸的空氣,減緩銅絲氧化,使教具可以長(zhǎng)久保存與使用．

4 實(shí)驗(yàn)原理

從微觀角度來(lái)看,可以將條形磁鐵的磁場(chǎng)等效的看成是由分布在磁鐵側(cè)面的等效環(huán)形電流產(chǎn)生,通電螺線管產(chǎn)生的磁場(chǎng)對(duì)等效環(huán)形電流有安培力的作用．[2](見圖4)

圖4

從宏觀角度講是因?yàn)榇盆F在受到通電導(dǎo)線所受安培力的反作用力下運(yùn)動(dòng)．當(dāng)磁鐵與導(dǎo)線接觸時(shí),構(gòu)成了正極—磁鐵—導(dǎo)線—磁鐵—負(fù)極的回路如圖5所示．對(duì)其中的任意導(dǎo)線AA′BB′分析,導(dǎo)線A,A′受到的安培力為F,F′它們的分力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(圖6)．根據(jù)牛頓第三定律,兩磁鐵受到的磁力方向向左,因此磁鐵和電池一起向左運(yùn)動(dòng)．

圖5

圖6

5 教具的應(yīng)用

5.1 應(yīng)用1:作為“磁場(chǎng)磁現(xiàn)象”的引課

例1.教師先將單獨(dú)的1節(jié)電池,放入線圈．此時(shí)學(xué)生觀察不到任何現(xiàn)象,并會(huì)對(duì)教師的行為產(chǎn)生疑問(wèn)．然后再將兩個(gè)物體(強(qiáng)磁鐵)分別吸在電池的兩端,可以看到,電池帶著物體一起穿過(guò)線圈,學(xué)生驚訝之至極,教師適時(shí)提出問(wèn)題:“猜一猜能夠讓電池能在線圈中動(dòng)起來(lái)的兩個(gè)物體是什么?為什么會(huì)有這樣的現(xiàn)象?”引入新課．

利用新奇的實(shí)驗(yàn),通過(guò)強(qiáng)烈的認(rèn)知沖突,激發(fā)學(xué)生求知欲望,再根據(jù)由淺入深的課堂教學(xué),從磁場(chǎng)入手最后闡述其原理,幫助學(xué)生掌握磁場(chǎng)的概念,提高學(xué)生科學(xué)思維能力．

5.2 應(yīng)用2:作為習(xí)題課演示實(shí)驗(yàn)

圖7

例2.如圖7所示,一條形磁鐵放在水平桌面上,在它的正中央上方固定一直導(dǎo)線,導(dǎo)線與磁鐵垂直,若給導(dǎo)線通以垂直于紙面向里的電流,則磁鐵對(duì)桌面的壓力怎么變?[5]

圖8

解析:磁鐵的磁感線在它的外部是從N極到S極,因?yàn)殚L(zhǎng)直導(dǎo)線在磁鐵的中央上方,所以此處的磁感線是水平的,電流的方向垂直于紙面向里,根據(jù)左手定則,導(dǎo)線受磁鐵給的“安培力”方向豎直向上,如圖8所示.導(dǎo)線是固定不動(dòng)的,根據(jù)物體間力的作用是相互的,導(dǎo)線給磁鐵的反作用力方向就是豎直向下的，因此磁鐵對(duì)桌面的壓力增加．

學(xué)生對(duì)該問(wèn)題的分析往往對(duì)導(dǎo)線受到的安培力比較熟悉,而不容易想到磁鐵受到導(dǎo)線的磁力作用,該力是導(dǎo)線所受安培力的反作用力,容易出錯(cuò)．針對(duì)這樣的情況筆者在講到這道題目的時(shí)候,先演示“磁動(dòng)力小火車”實(shí)驗(yàn)并讓學(xué)生思考其原理,在直觀認(rèn)識(shí)到安培力的反作用力讓磁鐵運(yùn)動(dòng)的知識(shí)基礎(chǔ)之上,再讓學(xué)生解決這道習(xí)題,效果很好,基本都能做對(duì)．通過(guò)實(shí)驗(yàn),轉(zhuǎn)換思維,為學(xué)生搭建思維的手腳架,讓學(xué)生搭上實(shí)驗(yàn)的翅膀,增強(qiáng)了感性直觀認(rèn)識(shí)有利于提高學(xué)生解決問(wèn)題的能力．

6 結(jié)束語(yǔ)

筆者在市優(yōu)質(zhì)課及自制教具比賽中展示該實(shí)驗(yàn),受到了評(píng)委的一致好評(píng),也明白了教師在課堂教學(xué)中不應(yīng)只盯著教科書的實(shí)驗(yàn),而應(yīng)該開拓眼界,善用網(wǎng)絡(luò),提高自己的信息化水平才能發(fā)現(xiàn)更多有利于提高課堂效率的素材并通過(guò)改造成為適合課堂的教具．

1 普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書物理(選修3-1)[M].北京： 人民教育出版社,2010.

2 閆峰.磁動(dòng)力小火車的驅(qū)動(dòng)原理[J].中學(xué)物理教學(xué)參考，2015(13):7-8.

3 任偉德.新時(shí)期自制教具的原則和特點(diǎn)[J].教育與裝備研究，2016(6)：17-22.

4 居漢明.轉(zhuǎn)換思維在習(xí)題教學(xué)中的滲透[J].理科考試研究，2013，20(9):28-29.

2017-03-12)