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“磁场对通电导体的作用”的演示器

摘  要：利用强磁铁、钢尺、自制导体棒、自制量角器等简易器材，自制了磁场对通电导体作用的简易演示实验装置。该装置具有取材方便、容易制作，可观性强、成功率高，操作方便、节约时间，拓展思维、提升素养等优点。

关键词：实验；创新；磁场；通电导体

“磁场对通电导体的作用”是一个经典的电磁学实验。学生通过奥斯特实验已经知道通电直导线通过磁场对周围的小磁针有力的作用，根据力的作用是相互的，学生会猜想小磁针产生的磁场对通电直导线也有力的作用。因此本实验是学生探究磁场对通电导体有力的作用的重要环节，同时也为后续磁场对通电线圈的作用实验做铺垫。

在实际课堂教学中发现，按教材中图1的实验装置演示，往往会存在以下几个问题：

1.实验室所使用的金属棒是铝棒，在空气中易氧化，导致表面覆盖有氧化铝的金属棒与导轨接触不良。

2.蹄形磁铁的磁性较弱，分布范围较小。对通电导体棒的作用力较小，难以克服导体棒与导轨间的摩擦力，运动现象不明显。

3.金属导轨不平整，易变形弯曲。导体棒在弯曲或变形的金属导轨上运动较为困难，会出现来回滚动或停止滚动的情形。

4.电路短路，易损坏电源。为了让实验现象更加明显，直接采用了蓄电池的短路电流，对蓄电池的损坏较大。

查阅相关资料发现有较多的改进方案，如：用铜丝固定在铁钉上张紧，代替导轨，以减小导轨与导体棒之间的摩擦；用铅笔芯代替铝棒，石墨的化学性质较为稳定，以保证导体棒与导轨之间良好的接触；甚至采用悬挂法，把铝棒悬挂在磁铁中间，观察细绳的偏向等等。但纵观一些改进实验，还存在一些不足，磁场的分布范围较小，磁场的磁性强弱无法改变，导体棒较细，视觉效果较弱等。为了提升实验的教学效果，让学生更好的参与课堂，我们必须正视这些不足，笔者对本实验做了如下改进：

1.实验装置

如图2所示，用强磁铁代替马蹄形磁铁，能提供磁性更强，分布范围更广的磁场；用锡箔纸包裹吸管代替铝棒，锡箔纸主要材料是锡铝合金，化学性质稳定，不易氧化，吸管比铝棒粗，更具有可观性；用钢尺固定在木板上代替导轨，更具平整性，且不易变形；在电路中加入电阻箱，能防止电路短路，且方便调节电阻值大小，改变电路中的电流。

2.实验步骤

2.1 研究磁场对通电导体作用力的方向的影响因素

按图2所示连接电路.在钢尺上每隔0.5厘米摆放一颗直径16毫米、厚度4毫米的强磁铁，并在强磁铁的N极贴上红色纸条，方便辨认磁极。（具体见表1）

闭合开关，静止释放导体棒，导体棒向右运动（N极向上S极向下，电流方向A→B）；断开开关，将吸附磁铁的钢尺上下翻转即改变磁场方向；闭合开关，静止释放导体棒，导体棒向左运动。（N极向下S极向上，电流方向A→B）

得出结论：①磁场对通电导体作用力的方向与磁场方向有关。

断开开关，将鳄鱼夹夹在轨道上的位置左右交换即改变流过导体棒的电流方向，闭合开关，导体棒向右运动。（N极向下S极向上，电流方向B→A）

得出结论：②磁场对通电导体作用力的方向与电流方向有关。

断开开关，将吸附磁铁的钢尺上下翻转即改变磁场方向，同时将鳄鱼夹夹在轨道上位置左右交换即改变流过导体棒的电流方向，闭合开关，导体棒向右运动。（N极向上S极向下，电流方向B→A）

得出结论：③同时还能说明磁场方向和电流方向均改变，磁场对通电导体作用力的方向不变。

表1：研究磁场对通电导体作用力的方向的影响因素

2.2  研究磁场对通电导体作用力的大小与磁场强弱的关系 

按图2所示连接好电路，将导轨倾斜摆放如图3所示。实验数据如表1，钢尺上每隔0.5厘米摆放直径20毫米、厚度3毫米的磁铁，电阻箱的阻值为1Ω时，导体棒恰好下滑时导轨倾角度在20°左右。在原来的磁铁上再叠加一颗同样规格的磁铁即增强磁场的强度，导体棒恰好下滑时导轨倾斜角度在30°左右。这里要和学生建立起认知：导体棒恰好下滑时导轨倾斜角度越大，说明此时磁场对通电导体的作用力F也越大。 

表1磁场对通电导体作用力的大小与磁场强弱的关系

得出结论：④说明磁场对通电导体作用力的强弱与磁场强弱有关，磁场越强，磁场对通电导体作用力越大。

2.3  研究磁场对通电导体作用力的大小与电流大小的关系

按图2所示连接好电路，将导轨倾斜摆放如图3所示。实验数据如表2，钢尺上每隔0.5厘米叠加摆放直径20毫米、厚度3毫米的磁铁2颗，此时磁场强度较强。当电阻箱的阻值为1Ω时，此时流过导体电流为1.3A，导体棒恰好下滑时导轨倾斜角度在30°左右。电阻箱的阻值为2Ω时，此时流过导体电流为0.6A，导体棒恰好下滑时导轨倾斜角度在15°左右。

表2磁场对通电导体作用力的大小与电流大小的关系

得出结论：⑤说明磁场对通电导体作用力的强弱与电流大小有关，电流越大，磁场对通电导体作用力越大。 

3.实验创新

  实验探究是初中科学的重要组成部分，不仅能帮助学生寻找科学规律，构建知识体系，还能培养学生学习科学的兴趣，提升科学素养。本实验主要有以下几点创新之处：

1.取材方便，容易制作。实验材料容易取得，部分来自于生活，并且实验装置容易制作，能拉近学生与科学实验的距离。

2.可观性强，成功率高。用强磁铁代替马蹄形磁铁，能够提供磁性更强、分布范围更广的磁场；在较粗的塑料吸管上包裹锡箔纸，锡箔纸的主要成分是锡铝合金，化学性质稳定，不易氧化，能保持良好的导电性能。吸管大小合适，能增加学生的视觉效果，符合课堂演示实验要求。

3.操作方便，节约时间。巧妙地将强磁铁附着在钢尺上，通过翻转钢尺来改变磁场方向；改变鳄鱼夹夹在钢尺两侧的位置来改变通过导体棒的电流方向，操作简单方便，能为教学节省时间，给学生思考留下更多的时间。

4.拓展思维，提升素养。将磁场对通电导体作用力的强弱转化为导体棒恰好下滑时导轨的倾斜角度，充分体现了科学方法中的转换法。 不仅能拓展学生的思维，也能形成严谨认真、善于反思的科学精神和科学态度。