“探究磁體周圍磁場(chǎng)”系列實(shí)驗(yàn)的研究與重構(gòu)*

朱峰磊

(江陰市華西實(shí)驗(yàn)學(xué)校 江蘇 無(wú)錫 214400)

1 教材分析

物理課程是一門(mén)注重實(shí)驗(yàn)的自然科學(xué)基礎(chǔ)課程.蘇科版教材[1]尤其注重學(xué)生通過(guò)觀察、實(shí)踐、體驗(yàn)等方式經(jīng)歷科學(xué)探究過(guò)程.蘇科版物理九年級(jí)下冊(cè)“磁體 磁場(chǎng)”一節(jié)內(nèi)容的教學(xué)順序?yàn)椤坝^察磁現(xiàn)象—認(rèn)識(shí)磁場(chǎng)—描述磁場(chǎng)—應(yīng)用磁場(chǎng)”[3]，符合了從現(xiàn)象到本質(zhì)的認(rèn)知規(guī)律.該教材以類似剝洋蔥的層級(jí)遞進(jìn)的教學(xué)思路推進(jìn)著教學(xué)活動(dòng)的開(kāi)展.同時(shí)《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2011年版)》明確指出要“通過(guò)實(shí)驗(yàn)”認(rèn)識(shí)磁場(chǎng)[2]，突顯了實(shí)驗(yàn)在磁場(chǎng)教學(xué)的重要作用和積極意義.

著名的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者丁肇中先生說(shuō)過(guò)：“實(shí)驗(yàn)可以推翻理論，理論絕對(duì)不能推翻實(shí)驗(yàn).‘相對(duì)論’要是沒(méi)有實(shí)驗(yàn)證明的話，是沒(méi)有意義的.”丁肇中先生一直強(qiáng)調(diào)物理實(shí)驗(yàn)對(duì)于物理學(xué)習(xí)的重要性.初中物理學(xué)習(xí)是學(xué)生在物理學(xué)習(xí)生涯中的起步階段，學(xué)生只有通過(guò)簡(jiǎn)潔有效的實(shí)驗(yàn)探究才能更好地獲得物理知識(shí)與技能.通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究使思維進(jìn)階，符合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律.因此初中階段的物理實(shí)驗(yàn)就顯得格外重要！

2 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)狀分析

2.1 平面磁場(chǎng)分布器材的分析

磁場(chǎng)平面演示板：在預(yù)設(shè)的位置上固定若干可自由轉(zhuǎn)動(dòng)的小鐵片.未放入磁體時(shí)，小鐵片的指向無(wú)規(guī)律，如圖1所示.

在中間位置放入強(qiáng)磁體，輕敲底板，小鐵片的轉(zhuǎn)動(dòng)呈現(xiàn)一定規(guī)律，將磁體周圍的磁場(chǎng)顯現(xiàn)，如圖2所示.

圖2 放入磁體的磁場(chǎng)平面演示板

分析：實(shí)驗(yàn)操作簡(jiǎn)單、現(xiàn)象明顯，學(xué)生較容易得出條形磁體周圍磁場(chǎng)分布特點(diǎn).小鐵片可以自由轉(zhuǎn)動(dòng)，但鐵片位置是有計(jì)劃的人為設(shè)定，無(wú)法通過(guò)平面局部鐵片疏密分布說(shuō)明磁場(chǎng)的強(qiáng)弱，磁場(chǎng)分布規(guī)律缺乏自然的生成過(guò)程.

蘇科版物理九下教材設(shè)置學(xué)生活動(dòng)16.3中，用鐵屑探究磁體周圍的磁場(chǎng)：將有機(jī)玻璃放在條形磁體上面，在玻璃上均勻地撒一些鐵屑.輕輕敲擊玻璃板，讓鐵屑有序排列，將磁場(chǎng)的分布顯示出來(lái)，如圖3所示.

圖3 條形磁體周圍平面鐵屑分布

分析：教材實(shí)驗(yàn)安排，在單一平面內(nèi)的探究磁場(chǎng)分布，操作簡(jiǎn)單，現(xiàn)象明顯，學(xué)生較容易得出條形磁體周圍磁場(chǎng)分布特點(diǎn).但是這種單一平面內(nèi)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，若缺乏對(duì)于磁體周圍磁場(chǎng)空間分布的必要說(shuō)明，那么學(xué)生對(duì)于磁場(chǎng)的認(rèn)知就可能存在缺陷.然而受到現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)器材條件的限制，學(xué)生看到的平面化的實(shí)驗(yàn)結(jié)果并非磁場(chǎng)的真實(shí)全貌.由于無(wú)法呈現(xiàn)出磁場(chǎng)空間分布的全貌，這就會(huì)導(dǎo)致學(xué)生對(duì)磁場(chǎng)形態(tài)形成平面化的片面認(rèn)知.

在受到實(shí)驗(yàn)器材條件限制時(shí)，教師可以采用如下理論化的分析方法：以已有的條形磁體平面磁場(chǎng)為基礎(chǔ)，由于條形磁體在空間上是對(duì)稱的，因此條形磁體在立體空間內(nèi)也存在磁場(chǎng)，并且每一個(gè)軸向旋轉(zhuǎn)對(duì)稱平面內(nèi)的磁場(chǎng)分布應(yīng)是一致的.這樣，教師就可以引導(dǎo)學(xué)生發(fā)揮空間想象力，構(gòu)建一個(gè)想象而成的條形磁體的空間磁場(chǎng)圖像；必要時(shí)，教師還可以展示空間磁感線分布圖4供學(xué)生參考.盡管如此，立體的空間概念以及相應(yīng)的解釋，對(duì)于初中生來(lái)說(shuō)仍有較大的難度.

圖4 條形磁體空間磁感線分布圖

2.2 空間磁場(chǎng)分布器材分析

6塊磁場(chǎng)平面演示板互成60°夾角立體組合，形成根據(jù)3個(gè)平面磁場(chǎng)分布粗略反映磁場(chǎng)空間分布的模型.未放入磁體時(shí)，磁場(chǎng)空間演示板小鐵片的指向無(wú)規(guī)律.當(dāng)在中間位置放入強(qiáng)磁體，輕敲器材，小鐵片的轉(zhuǎn)動(dòng)呈現(xiàn)一定的空間分布規(guī)律，將磁體周圍空間磁場(chǎng)分布顯現(xiàn)出來(lái).實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象如圖5和圖6所示.

(a)未放磁體

(b)放入磁體

分析：實(shí)驗(yàn)最大優(yōu)點(diǎn)是呈現(xiàn)了條形磁體周圍磁場(chǎng)空間分布特點(diǎn).小鐵片磁場(chǎng)分布規(guī)律缺乏自然的生成，同時(shí)由于僅有3個(gè)平面的呈現(xiàn)，磁場(chǎng)立體空間感稍顯不足.

3 實(shí)驗(yàn)重構(gòu)思考與實(shí)踐

根據(jù)對(duì)教材安排和現(xiàn)有器材的分析，結(jié)合現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)和不足，筆者提出自己思考和實(shí)踐.

思考：在水平面內(nèi)磁體磁場(chǎng)分布用鐵屑可以較清晰地呈現(xiàn).由于重力的影響，用自由鐵屑在其他平面內(nèi)呈現(xiàn)比較困難.位置的固定小鐵片可以消除重力的影響，但由于小鐵片位置是固定的，實(shí)驗(yàn)結(jié)論人為干擾的成分較多，便很難根據(jù)鐵屑分布疏密反映磁場(chǎng)的強(qiáng)弱.

實(shí)踐：基于以上思考，筆者提出用自由鐵屑撒入黏度較大的透明液體中，抵消重力的影響，呈現(xiàn)磁體磁場(chǎng)空間分布特點(diǎn).

透明亞克力模具中倒入足量黏度較大的透明液體(例如立白洗潔精、甲基硅油)，如圖6所示.在透明液體中均勻撒入適量的鐵屑，部分鐵屑沉底，部分鐵屑懸浮，如圖7所示.用亞克力膠將帶凹槽的透明亞克力板密封粘合在模具上，如圖8所示.

圖6 模具中倒入透明液體

圖7 撒入適量鐵屑

圖8 封上帶凹槽的蓋子

搖晃模具，使液體中的鐵屑均勻分布.在凹槽中嵌入強(qiáng)磁體，原本靜止的鐵屑受到磁力的作用瞬間在液體中“游動(dòng)”，如圖9所示.用兩塊模具對(duì)合，將磁體嵌入各自凹槽，使含有鐵屑的液體全方位包裹強(qiáng)磁體，待靜止后呈現(xiàn)磁場(chǎng)空間分布規(guī)律，如圖10所示.

圖9 凹槽中嵌入磁體后液體中鐵屑的分布

圖10 液體中磁體周圍磁場(chǎng)空間分布

通過(guò)實(shí)驗(yàn)重構(gòu)，自由鐵屑撒入黏度較大的透明液體中，抵消重力的影響，完美呈現(xiàn)磁體磁場(chǎng)空間分布特點(diǎn).將抽象空間磁場(chǎng)分布具體化、形象化，學(xué)生經(jīng)歷完整的探究過(guò)程，實(shí)驗(yàn)結(jié)論更具有說(shuō)服力、科學(xué)性.

4 重構(gòu)實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)與反思

筆者將模具內(nèi)填充不同的透明液體，分別根據(jù)各自的實(shí)驗(yàn)效果進(jìn)行優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比說(shuō)明，如表1所示.

表1 不同填充液體實(shí)驗(yàn)對(duì)比

磁場(chǎng)是磁現(xiàn)象知識(shí)的基礎(chǔ)，由于磁場(chǎng)本身的不可見(jiàn)性，增加了學(xué)生對(duì)磁場(chǎng)認(rèn)知的難度.學(xué)生根據(jù)經(jīng)歷探究磁場(chǎng)對(duì)進(jìn)入其中的鐵屑等鐵磁物質(zhì)有力的作用的實(shí)驗(yàn)，形成了對(duì)磁場(chǎng)這種物質(zhì)的新認(rèn)知.但由于學(xué)生抽象邏輯思維還尚未成熟，真正全面理解“磁場(chǎng)”還有一定難度.

磁體周圍立體空間磁場(chǎng)分布的自制實(shí)驗(yàn)教具幫助學(xué)生建立了從二維平面到三維空間的磁場(chǎng)分布模型，使學(xué)生的思維從具體形象向抽象邏輯進(jìn)階.