一個輻向磁場引發(fā)的教學事故

李亭亭

摘 要：很多教師對輻向磁場的理解和教學僅限于物理模型，未能聯(lián)系其實際應(yīng)用及工程結(jié)構(gòu)，這不利于學生對輻向磁場的理解及科學素養(yǎng)培養(yǎng)，也不利于教師專業(yè)素質(zhì)的提高。讓學生分組拆解揚聲器，能讓學生進一步理解鐵芯的作用，并真正理解揚聲器內(nèi)輻向磁場的形成及特點。

關(guān)鍵詞：輻向磁場; T形鐵芯; 揚聲器

中圖分類號：G633.7? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ?文章編號：1006-3315（2021）3-013-002

動圈式揚聲器內(nèi)部的輻向磁場，不少老師認為只要用微元法分析推導出單匝線圈在磁場中的有效長度是周長[1]，學生就能很好理解了，如圖1所示。但在學期初的一次市級教研活動中，一個學生提出的問題，卻讓開課老師當場卡殼，甚至無言以對！

該學生的問題是：老師，磁感線都是閉合曲線，那圓心處磁極射向外環(huán)磁極的磁感線，為什么不會再返回到圓心處磁極？這不就變成了猜想中的磁單極子了嗎？還有，任何磁鐵都有南北兩極，那圓心處的那個N極磁鐵，它的S極在哪里？

這個問題，不僅開課老師被難住了，在課后的評課環(huán)節(jié)，很多聽課老師也不能給出讓學生信服的解釋。

“要給學生一杯水，自己要有一桶水”，我們教師對輻向磁場的理解，不能僅僅止步于理想化的物理模型，也需要了解其現(xiàn)實應(yīng)用和工程學結(jié)構(gòu)。

“千言萬語說不清，一做實驗就分明?！薄聦嵣希灰寣W生拆解一個揚聲器，不僅以上教學難點會迎刃而解，還能讓學生真正理解揚聲器中的輻向磁場。

1.讓學生拆解揚聲器了解其磁鐵的工程結(jié)構(gòu)

在市場上買十幾個普通小型揚聲器（例如2寸1W的揚聲器，價格不到5元），因為揚聲器上的磁鐵和鐵支架是用膠水牢牢粘合的，故教師需要事先分離磁鐵。用大號美工刀卡入磁鐵和鐵支架的隙縫，用錘子輕輕敲擊美工刀背面，就能分離出磁鐵部件，用同樣的方法，還能把T形鐵芯和環(huán)形磁鐵分離，如圖3所示。

教師分離出磁鐵后，再重新把磁鐵吸附在鐵支架上還原為揚聲器，這樣學生只要稍稍用力，就能拆開揚聲器了。

學生拆開揚聲器后，能親眼觀察到線圈的確是放置在磁鐵部件中央的環(huán)形隙縫中的，也會發(fā)現(xiàn)磁鐵拆開后的正視圖和學過的輻向磁場類似[2]。但同時也會產(chǎn)生疑問，為什么需要環(huán)形磁鐵和圓形T形鐵芯組合在一起構(gòu)成輻向磁場，而不是直接在圓心放一塊磁鐵？

2.讓學生理解輻向磁場的磁路結(jié)構(gòu)

揚聲器磁鐵上的T形鐵芯，又稱導磁鐵片，和螺線管、變壓器上的鐵芯作用一樣，可以讓絕大部分磁感線被集中約束在鐵芯內(nèi)部，從而可以在指定區(qū)域獲得更均勻、更強的磁場。

首先向?qū)W生展示沒有T形鐵芯時環(huán)形磁鐵的剖面圖和磁感線分布，學生可以發(fā)現(xiàn)磁感線四處發(fā)散，浪費嚴重，如圖4所示。

然后讓學生觀察其手中的帶有T形鐵芯的環(huán)形磁鐵，投影展示其剖面圖，并分析其磁感線分布?？梢园l(fā)現(xiàn)，因為環(huán)形磁鐵N極出來磁感線被約束在鐵芯內(nèi)部，所以幾乎所有的磁感線，都只能從圓心處鐵芯出來，再沿輻向返回環(huán)形磁鐵，如圖5所示。

至此，學生終于明白了揚聲器上鐵芯的作用，就是把原先環(huán)形磁鐵N極出來的磁感線，集中約束在鐵芯中并讓其從環(huán)形磁鐵圓心處的T形鐵芯凸起處導出。

如果把環(huán)形磁鐵和T型鐵芯看成一個整體的話，圓心處的鐵芯凸起，就是N極，環(huán)形磁鐵無鐵芯的一面，就是S極。

由圖5學生還可以發(fā)現(xiàn)，輻向磁場的確構(gòu)成了閉合回路，但揚聲器線圈所在的位置，只有向外發(fā)出的輻向磁場，故分析線圈的所受安培力情況時，只需參考圖1所示的輻向磁場磁感線分布即可。

教師還可以進一步拆解一個動圈式話筒展示給學生看，學生會發(fā)現(xiàn)其內(nèi)部的磁鐵部件雖然很小，但結(jié)構(gòu)和動圈式揚聲器類似，內(nèi)部仍然是輻向磁場，進而可以發(fā)現(xiàn)動圈式話筒（磁生電）其實就是動圈式揚聲器（電生磁）的逆向應(yīng)用。

參考文獻：

[1]章亞琴.電磁感應(yīng)背景下兩類輻向磁場難點問題探討[J]物理之友，2018，34（05）：40-42

[2]何忠燕.STEM教育理念下動圈式揚聲器原理教學及制作[J]物理通報，2019（06）：52-55