自制“磁场对通电导体的作用”演示教具

浙江省嵊州市剡城中学教育集团城东校区(312400) 何 慧 杨松耀

1 教材实验的背景和意义

“磁场对通电导体的作用”是一个经典的电磁学实验，在浙教版初中科学教材中被安排在八年级下册第1章第4节“电动机”的“活动”板块中，通过该实验活动，学生明确了“通电导体在磁场中会受到力的作用，力的方向与电流方向和磁场方向有关，当电流方向或磁场方向发生改变时，导体的受力方向也发生改变”[1]。在本章第2节“电生磁”中，学生通过奥斯特实验已知通电导体周围存在磁场，通过磁场通电导体会对周围的小磁针有力的作用。根据力的作用是相互的，学生会猜想小磁针的磁场对通电直导体也有力的作用。因此本实验是学生研究磁场对通电导体有力的作用的重要环节，同时也是后续学习磁场对通电线圈作用的基础。

2 教材实验的不足

教材实验采用的是如图1所示的实验装置，在实际教学演示过程中，该装置往往存在以下几个问题：

图1 磁场对通电导体的作用

(1)现象持续时间短，可观性差。受蹄形磁铁磁场范围的限制，导轨长度较短，通电后导体棒运动距离短、持续时间不长，现象稍纵即逝；加上导体棒较细，学生对该演示实验的整体观感较差。

(2)导体棒和导轨间易接触不良。实验室所使用的金属棒多为铝棒，铝在空气中易氧化，导致导体棒与导轨接触不良；用砂纸打磨后又易导致导体棒与导轨间摩擦过大，出现导体棒难以运动的情况。

(3)导轨易变形。教材实验装置中的导轨一般用铜丝等金属丝制成，会因使用不当造成弯曲变形，导致导轨不平整，导体棒在这样的导轨上运动较为困难，常出现来回滚动或不能滚动的情形。

(4)电源短路。为了获得更大的电流，使实验现象更加明显，教材实验的做法是将蓄电池短路，在导体通电而不能运动的情况下对蓄电池的损坏较大。

3 相关改进实验的总结

笔者查阅相关文献发现对该实验的改进文章较多，改进的方式主要集中在以下几个方面：

(1)减小摩擦。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[2]。

(2)改变导体材料。用化学性质较为稳定的铅笔芯代替铝棒，以保证导体棒与导轨之间良好的接触[3]。

(3)改变实验方式。采用悬挂法，将铝棒悬挂在磁铁中间，观察其偏向[4]。

但这些改进，仍没有解决导体棒运动时间过短、现象稍纵即逝的问题，究其原因主要还是蹄形磁铁磁场分布范围小，导体棒较细所致，为此笔者从增大磁场范围和强度的角度对教材实验装置进行了改进，设计了“磁场对通电导体的作用”演示教具。

4 自制实验装置的制作

4.1 制作材料

强磁铁若干，钢尺3根，木板、电流表、变阻器、开关各1，塑料吸管、锡箔纸、电池盒、电池、导线若干。

4.2 制作过程

(1)磁场的改进。针对蹄形磁铁磁场范围小的缺点，本教具用强磁铁以相同的间距、同一极面吸在1根钢尺的一面，用以代替蹄形磁铁。

(2)导体棒的制作。铝棒易被氧化，其他金属棒又太重不便运动，本教具用锡箔纸包裹塑料吸管代替铝棒。锡箔纸主要材料是铝锡合金，具备导电能力，且化学性质稳定，不易被氧化；塑料吸管选用喝奶茶的吸管，这种吸管具备一定的硬度，且质量比同体积的其他金属棒要小得多，能有效减小与导轨之间的摩擦。

(3)装置的连接。针对金属丝导轨存在的问题，本教具用2根钢尺侧立固定在木板上以代替原装置的导轨，钢尺平整且不易变形，可以有效减小与导体棒之间的摩擦，让导体棒运动更为顺畅。另外，在电路中加入电阻箱(也可以用滑动变阻器代替)，通过调节电路中阻值的大小来改变电路中的电流，防止电源短路，制作完成的演示教具如图2所示。

图2 “磁场对通电导体的作用”演示教具

5 使用方法

利用改进后的“磁场对通电导体的作用”演示教具，能够很好地完成教材实验，同时还能进行拓展实验。

5.1 研究磁场方向、电流方向与通电导体所受作用力的方向之间的关系

将如图2所示装置的开关闭合，接通电路，学生就能观察到导体棒朝一个方向运动。将底部吸有强磁铁的钢尺翻转，改变磁场方向，再次闭合开关，导体棒运动方向与之前的运动方向相反。说明导体棒运动方向与磁场方向有关。

将连接电池正负极接线柱的导线交换，闭合开关，导体棒运动方向与刚才的运动方向相反。说明导体棒的运动方向与电流方向有关。

将钢尺翻转，并交换连接电池正负极接线柱的导线，发现导体棒运动方向不变。可以很好地说明通电导体在磁场中的运动方向与磁场方向、电流方向都有关。

5.2 研究磁场强度、电流大小与通电导体所受作用力的大小之间的关系

本教具还可以实现改变磁场强度和电流的大小，由此来判断磁场强度和电流大小与通电导体所受作用力大小之间的关系。通过调整吸附在钢尺上强磁铁的数量，可以增减磁场的强度；通过调节电阻箱(滑动变阻器)可以调整电流的大小。实验中发现，磁场越强、电流越大对通电导体的作用力也越大。

6 改进后教具的优点

本教具的创新之处是对通电导体作用的磁场进行了优化改进，该教具的优点主要体现在以下几个方面：

(1)取材方便，制作容易。本教具所采用的材料均是实验室现成的器材或日常生活中常见的材料。装置的制作也非常容易，用双面胶、普通胶水都能做到将2根钢尺粘在木板两侧，稍有点难度的就是将锡箔纸贴到吸管上，简单的办法是取比吸管侧面稍宽的锡箔纸，先在其一面均匀涂上胶水，然后将吸管在其上面滚动，锡箔纸就能很好地与吸管粘合，最后根据装置宽度将吸管过长部分剪去即可。

(2)操作简单，成功率高。利用该教具进行“磁场对通电导体的作用”实验，操作十分简单。通过翻转吸有强磁铁的钢尺来改变磁场方向，通过交换连接在电源正负极上的鳄鱼夹来改变电流方向，通过改变强磁铁的多少来改变磁场强度，通过电路中的变阻器来调节电流的大小。导体棒运动现象十分明显，在多次实验中均没有发生教材装置所存在的问题，实验成功率高。

(3)现象明显，可观性强。因导轨较长，导体棒既轻又粗，导体棒运动现象非常明显，加之实验成功率高，利用本教具开展“磁场对通电导体的作用”实验，很适合学生在课堂中进行观察。

(4)装置安全，拓展性好。该教具本身不具有危险性，该教具的设计避免了电源短路，整个装置安全性较高。而且该装置可以用于研究磁场强弱、电流大小与通电导体所受作用力大小的关系，还可以用于相关拓展实验。