对条形磁铁演示实验两个表观结论的商榷

陈春玉 黄健康

摘 要：部分初高中教师常通过条形磁铁演示实验，来引导学生直观判定条形磁铁周围空间各个位置磁场的强弱，但却在不经意的引导过程中得出两个表观结论。本文从磁感线空间分布和磁铁（或铁屑）受力分析角度，分析探讨实验现象形成的原因，对两个表观结论提出商榷。

关键词：条形磁铁；磁场强弱；表观结论；商榷

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2018）6-0051-3

初高中物理教师教到磁场内容时，普遍会做条形磁铁周边各位置磁场强弱方面的演示实验。可是，一些教师做演示实验或引导学生做探索性实验的时候，通常没有引导学生从条形磁铁的结构、磁感线分布情况、磁感线的基本特征及受力角度来分析研究所观察到的现象，而是从表观现象出发简单诠释現象，并得出相关表观结论。本文列举两个典型的表观结论，并对此提出商榷[1]。

1 条形磁铁两类演示实验及容易出现的表观结论

1.1 两块条形磁铁相互吸引演示实验及容易出现的表观结论

一些教师在做磁场强弱演示实验时，常将一块条形磁铁放在讲台上或托在手上分别做三次实验。

（1）如图1，将另一块条形磁铁竖直提着靠近平放在桌面上的磁铁异名的那一磁极，可看到平放在桌面的磁铁被吸起并发出碰撞声音。

（2）将另一磁铁一磁极从侧面靠近同名的那一磁极，如果靠得很近，会看到平放在桌面上的磁铁被排斥推动而转起来。

（3）如图2，将另一磁铁一端竖直握住，另一端靠近平放的条形磁铁中央，发现磁铁难以吸起来，但可大致感觉侧向吸斥力的存在。

教师普遍会边演示边总结实验现象，或让学生上讲台谈一些自己操作时的感觉。之后，很多教师会做这样的解释：因为条形磁铁两头处磁场很强，所以吸引力或排斥力很大，异名吸引，同名排斥，握磁铁时会感受到它们间有很大的作用力；而竖直靠近磁铁中央时，由于磁铁中央处磁场很弱，所以吸引力或排斥力很小，竖直方向难以感受到力的作用[2]。

基于以上实践探索，很多教师最终会引导学生得出“条形磁铁磁场两头强而中央弱”这一表观结论。

1.2 条形磁铁撒铁屑实验及容易出现的表观结论

有些教师将一块条形磁铁平放在桌面上，再将一块平板有机玻璃平放在这条形磁铁上方，然后从磁铁上方往下轻撒铁屑。结果看到铁屑绝大部分聚集在磁铁两头，且靠近磁铁两头处铁屑都呈立体毛发状分布，给人以很强的力度感；而靠近中央区域处的铁屑几乎是平躺着的，并且有被磁铁往两端拖过去的迹象。若用手拨磁铁两头的铁屑，发现不易拨走；用手拨靠近磁铁中央区域位置处的铁屑，却发现铁屑很容易跑往磁铁两端。有的教师为图方便，直接将条形磁铁放在白纸上，直接撒铁屑。图3为磁铁未包裹时学生做撒铁屑实验所拍摄的照片。

有些教师为了让现象更加明显，用白纸将条形磁铁包裹起来，再用它来吸引铁屑，结果可更明显地看出铁屑几乎集中在磁铁两头，中央很少有铁屑吸附在上面。

最终，教师普遍会从撒铁屑实验现象出发，引导学生得出“磁铁两头磁场强吸引铁屑多，磁铁中央部位磁场弱从而吸引铁屑少”这一表观结论。

2 对两个表观结论的商榷

我们觉得前面通过演示实验或实践探索性实验所得的两个表观结论存在问题，下面从两个方面着手进行分析探讨。

2.1 从磁感线角度分析探讨

图4是条形磁铁完整的磁感线分布图，由于磁感线是闭合曲线，整个条形磁铁的磁感线都要经过磁体内部，磁铁中央的磁感线特别密，磁场实际比两极处强。而磁铁外部空间，则是靠近磁极处磁感线密，磁场强，中央部位磁感线疏一些，相对两极弱一些。但在垂直磁铁中轴线方向上，从磁铁表面向远处，却是逐渐减弱的，中央部位反而是强。在大学物理的《电磁学》课堂中这一点讲得非常清楚，我们教师应该注意[3]。

因此，在谈论磁场各部位强弱时，既要分内外部，也要分方向，不能一刀切地下定论。

2.2 从受力和运动轨迹角度分析探讨

（1）磁铁在不同位置所受磁场力情况讨论

如图5，当一条形磁铁平放在桌面上，另一条形磁铁用手竖直握住（设N极在下端），从平放磁铁上方左端位置移动到右端位置过程中，竖握的磁铁下端在位置A所受的磁场力为排斥力且斜向上，该力较大，自然给人一种此处磁场强的感觉；竖握磁铁下端在位置B所受的磁场力水平向右，该力仍较大，但两磁铁竖直方向无吸引和排斥感觉，自然也就给人一种无磁场或磁场弱的错觉；竖握磁铁下端在位置C所受的磁场力为吸引力且斜向下，该力较大，自然也给人一种此处磁场强的感觉。

正因为竖握磁铁在三个不同位置有吸斥力对比上的感觉，便自然而然地将力的认知迁移到磁场强弱认知上，且抛开了力的方向变化对感觉的影响，也抛开了磁铁内外部磁感线的疏密讨论，这种认知显然存在问题。

（2）铁屑下落过程中受力及轨迹偏向情况探讨

如图6，当一条形磁铁平放在桌面上，一只手撒铁屑时，铁屑在条形磁铁磁场中容易发生磁化现象，相当于一个小磁铁，也有两极，一侧受引力，而另一侧受斥力。A铁屑单元下落时，靠近平放磁铁N极那一端，在忽略空气阻力的情况下，磁场力及重力的合力斜向下且偏左，这会使得铁屑下落轨迹渐渐弯向N极，而且越靠近合力越大，也即下落铁屑聚集向N极的量特别多。同理，C铁屑单元下落时，靠近平放磁铁S极那一端，聚集向S极的铁屑量也便特别多。而正中竖直线上的铁屑所受的水平磁场力几乎抵消，所受合力向下，竖直下落，但真正能够做到这一点的铁屑量是极少的。另外，当在磁铁正上方抛撒铁屑时，若铁屑有一定的水平分速度，更易使铁屑偏向两极，也会造成撒铁屑时，靠近磁铁中心区域铁屑量偏少而两极处较多。

正因为这些力、水平速度与轨迹偏转因素共同影响，才造成均匀撒铁屑时，铁屑靠近两极的量会比外部中央区域的量相对多些，但这些都不能作为评判磁场强弱的严格标准，仅能大致判断各处磁场情况不同。撒铁屑的真正目的，是通过铁屑的分布情况，来判定磁感线的分布情况，进而大致地判定各处磁场的强弱。所以，撒铁屑实验，最好先将磁铁放在平纸板下方，而在纸板上方撒铁屑，并轻轻敲打纸板，再通过铁屑分布情况了解磁感线的分布情况，再引导学生探讨各处磁场的强弱。

3 实验教学引导与处理建议

对于初高中学生，尤其是初中学生，为让学生能够具体感知到条形磁铁外部空间磁场的强弱，教师在做前面两个演示实验或引导学生做两个实践探索性实验时，一定要向学生点明操作认知只是一种感性认知，有可能出现误判断。条形磁铁哪个位置的磁场真的强，初中得分清磁铁内外部，并懂得从磁感线分布及疏密角度来分析判定，而高中还得考虑通电直导线摆放情况及导线受力大小。

参考文献：

[1]杨永安.《磁铁》一课教学结构例评[J].教学仪器设备，2001（3）：19.

[2]林涛，姚卫.探究铁屑法立体演示磁铁磁感线[J].教育现代化（下半月），2015（7）：56.

[3]赵凯华，陈熙谋.电磁学[M].北京：高等教育出版社，2011.

（栏目编辑 王柏庐）