探究影响螺线管磁性强弱因素的实验研究

高革利

【摘要】初中物理教学中关于电磁学的学习内容非常简单，但不可忽视的是电磁学在当今科技进步中发挥的作用，电流周围存在磁场，如何将这个磁场加强？一种方法是将导线做成螺线管。但现在在初中物理教学中，大多数关于螺线管磁性强弱的实验室表征是通过磁体本身的具有吸引铁、钴、镍等的性质，即用螺线管去吸引大头针或曲别针，通过它们的个数来表征螺线管的磁性强弱。但在实验室中很多时候该实验的现象并不是很明显，本文则是从另一个角度出发，通过磁极间的相互吸引或排斥的效果来表征螺线管的磁性强弱。

【关键词】螺线管 磁性 磁极间的相互作用

【中图分类号】G633.7 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2018）14-0242-02

1820年丹麦科学家奥斯特在一次偶然的情況下发现了，在接通电流时，导线附近的小磁针忽然转动了一下，装置如图1a，这一转动说明了电流的周围存在磁场。安培利用右手定则总结出了通电直导线周围的磁场方向和电流方向的关系如图1b。也是这一转揭开了电磁学领域的序幕。为了将通电直导线周围的磁场加强，采用了方法——增大电流，但由于条件限制，电流不能一直增大。随着进一步的研究，人们发现将直导线做成线圈如图2，根据安培定则1线圈的磁场是各段通电导线磁场的叠加，因此磁场得到了增强，这就是螺线管，因此改变线圈匝数可改变螺线管周围的磁场强弱。如果将螺线管中插入软铁棒，螺线管的磁性会进一步加强，插入软铁棒的螺线管即为电磁铁，在当今社会中的很多领域都担任着重要角色。

物理是一门以实验为基础的学科，脱离实验只是将知识传授给学生就偏离了物理学习的本质。我们要传授给学生们的应该是研究的方法和技能，即如何根据生活现象提出问题、分析问题、涉及实验解决问题的能力。因此，在课堂上一定要设计足以说明问题的演示或学生实验为知识载体。对于“研就影响螺线管磁性强弱因素”的实验中，自变量显然有电流大小、线圈匝数、是否有铁芯，很容易实现改变和控制，但因变量“螺线管磁性强弱”的表征大多数实验利用了磁体具有吸引铁、钴、镍等物质的性质，即通过吸引大头针或曲别针的个数来表征，如图3装置，调节滑动变阻器通过观察某一螺线管能吸引大头针的数目来研究螺线管磁性强弱与电流大小的关系；通过对比两螺线管下方能大头针数目研究螺线管磁性与线圈匝数的关系；保持电流不变，对比同一螺线管加铁芯前后能吸引大头针的数目来研究螺线管磁性强弱与是否有铁芯的关系。但在实验室中很多时候该实验的现象并不是很明显，具体为一方面大头针或曲别针个数变化不是十分明显，另一方面大头针或曲别针作为演示实验的话可视性效果不好。

实验部分：为了解决上述两个问题，我在研究加铁芯是否增强螺线管磁性的实验中，从磁体磁极间的相互作用，即同名磁极相互排斥、异名磁极相互吸引的角度出发，通过螺线管的磁极和磁体磁极的相互吸引或排斥来表征因变量螺线管的磁性强弱。

设计1：实验器材：螺线管、铁钉、电源、导线、开关、大号磁针

实验步骤和实验现象：①按照图4组装电路；②闭合开关，将没有插入铁钉的螺线管至于距离磁针的N极d处，发现二者缓慢吸引；③断开开关，将铁钉插入螺线管，其它装置不变，闭合开关再次将螺线管放置与距离磁针N极d处，发现二者的吸引作用比上一次加大。分析：吸引加快说明了螺线管的磁性增强，但这个结论科学吗？出现这样的想象是因为螺线管磁性增强根据异名磁极相互吸引的效果，还是由于在第一次实验的基础上增加了磁针和铁钉间的吸引力的效果呢？为了能得到有力的证据来证明这一点，我将上述实验中电源正负极对调再重复一次，得到了没有插入铁芯时螺线管和磁针缓慢排斥，插入铁芯后二者排斥作用增强。如果第一组实验中吸引作用的增强是因为磁针对铁钉的吸引作用，则在第二组实验中加铁芯后排斥作用应减弱。因此通过同名磁极相互排斥，充分得到了加铁芯能使螺线管磁性增强的结论。该实验比较直观，从另一个角度引发学生思考，拓展对已有知识的整合，审辨式思维能力、分析问题的能力、设计实验的能力得到提高。但本实验对于用“缓慢”“快速”吸引或排斥的效果表征螺线管磁性强弱对于数据的准确描述方面存在不足。

设计2：实验器材：大号磁针、细线、螺线管、铁钉、电源、开关，表面贴有白纸竖放平板；实验步骤：①将大磁针用细线系住中间，悬吊于书房平板所在平面，断开开关如图5组装实验装置，并在平板白纸上描出细线轨迹；②闭合开关，稳定后描出此时细线轨迹，并测出偏离竖直方向的夹角θ1记录，断开开关；③将铁钉插入螺线管，其余装置不动，闭合开关，描出此时细线轨迹，并测量出偏离竖直方向的夹角θ2记录，断开开关。

实验现象和结论：磁针和螺线管相互排斥，且发现θ2>θ1，说明螺线管加铁芯后磁性得到了增强。实验中这种表征螺线管磁性强弱的方法不仅将数据的稳定性和精确度提高了，而且也将数据的可视化程度扩大了，这样的表征也依然可用于研究螺线管磁性强弱与电流大小、线圈匝数多少的关系实验中。这种转换表征还可以为高中学生不在同一直线上的三力合成与分解的计算提供模型。

总结：磁性强弱可以从磁体本身具有吸引铁、钴、镍等物质的性质的角度进行转换表征，也可从磁极间相互作用——同名磁极相互排斥、异名磁极相互吸引的角度进行转换研究。本实验则是从第二个角度进行转换将数据和现象优化。

参考文献：

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