胡方平

在教科版小學(xué)科學(xué)三年級(jí)下冊(cè)教材中，有一個(gè)關(guān)于磁鐵的單元，其中第3課講的是“磁鐵的兩極”，這節(jié)課的教學(xué)目標(biāo)之一是要讓學(xué)生知道磁鐵上磁力最強(qiáng)的部分叫磁極。為此，教材安排了“研究磁鐵什么地方磁力大”的實(shí)驗(yàn)活動(dòng)，通過在條形磁鐵上取五個(gè)不同部位分別懸掛回形針，記錄每個(gè)部位所能吸住回形針的最多個(gè)數(shù)，從而比較出磁鐵上什么部位磁力最強(qiáng)，進(jìn)而認(rèn)識(shí)磁極這一概念。然而，這種實(shí)驗(yàn)方法是存在問題的：第一，僅僅通過檢測(cè)條形磁鐵上五個(gè)部位的磁力大小就貿(mào)然得出磁鐵上什么部位磁力最強(qiáng)的結(jié)論是不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)模趯W(xué)生還沒有掌握磁鐵磁性特點(diǎn)時(shí)，只有不間斷地檢測(cè)磁鐵每一個(gè)部位的磁力大小，才能真正得出磁鐵上什么部位磁力最強(qiáng)的結(jié)論。第二，學(xué)生在條形磁鐵上懸掛回形針時(shí)，條形磁鐵靠中間部位的回形針容易被磁鐵兩極吸引，不能很好地穩(wěn)定懸掛在檢測(cè)部位，實(shí)驗(yàn)難度較大，學(xué)生不易操作。第三，這種方法需要學(xué)生小心地逐個(gè)增加回形針，耗時(shí)較長(zhǎng)，因操作不當(dāng)而造成失敗的概率較高，效率低下。

為了克服現(xiàn)有教材中實(shí)驗(yàn)方法的不嚴(yán)謹(jǐn)、操作難度大、耗時(shí)低效等問題，本文提供了一種簡(jiǎn)易磁力計(jì)方案，用簡(jiǎn)易磁力計(jì)對(duì)條形磁鐵各部位的磁力進(jìn)行全面、快捷的檢測(cè)，使“磁鐵什么地方磁力大”的問題得到嚴(yán)謹(jǐn)、便捷、高效、低成本的解決。那么，這個(gè)簡(jiǎn)易磁力計(jì)運(yùn)用的是什么原理？怎樣制作呢？下面，我進(jìn)行詳細(xì)介紹。

一、工作原理

我們?cè)谄綍r(shí)很容易觀察到這樣一種現(xiàn)象：把一個(gè)指南針放置在桌面上，指南針會(huì)慢慢靜止下來，指針指向南北方向，不管怎么放置，指南針總是指南北方向不變，這是指南針的特點(diǎn)。但當(dāng)我們拿出一塊磁鐵去靠近這個(gè)指南針時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)這個(gè)指針發(fā)生了偏轉(zhuǎn)，而且磁鐵離得越近，指針偏轉(zhuǎn)得越厲害。是什么原因改變了指南針指南北的特性，使指針發(fā)生了偏轉(zhuǎn)呢？那是因?yàn)橹改厢樖艿搅说厍虼艌?chǎng)以外其他磁場(chǎng)的干擾，也就是靠近它的那塊磁鐵的磁場(chǎng)的干擾。又是什么原因使指針的偏轉(zhuǎn)幅度不同呢？那是因?yàn)橹改厢樖艿酱艌?chǎng)干擾的強(qiáng)度不同，磁鐵離得越近，指南針受到磁場(chǎng)的影響越強(qiáng)，指針偏轉(zhuǎn)角就度越大。相反，磁鐵離得越遠(yuǎn)，指南針受到的磁場(chǎng)影響越弱，指針偏轉(zhuǎn)角度就越小。這一現(xiàn)象給了我啟發(fā)，指南針的偏轉(zhuǎn)不正好反映了磁場(chǎng)的強(qiáng)弱嗎？

那是不是使用指南針就一定能準(zhǔn)確指示出磁鐵各部位的磁力大小呢？為了能解決這個(gè)疑問，我又做了不同的實(shí)驗(yàn)。這次找了一塊圓形的強(qiáng)磁鐵，厚度只有2毫米，通過對(duì)比普通鐵氧體條形磁鐵，發(fā)現(xiàn)它的磁性強(qiáng)得多。照理說，在和指南針距離相同的情況下，強(qiáng)磁鐵能使指南針的指針偏轉(zhuǎn)的角度更大。但實(shí)驗(yàn)結(jié)果出人意料，磁性較弱的條形磁鐵反而容易使指南針指針發(fā)生較大偏轉(zhuǎn)，磁性很強(qiáng)的強(qiáng)磁鐵卻沒有使指針發(fā)生明顯偏轉(zhuǎn)。這一結(jié)果有點(diǎn)不可理解。其中原因是什么？為什么會(huì)這樣？然后我又嘗試改變磁鐵和指南針的距離，把磁鐵放在離指南針很近的地方，結(jié)果情況發(fā)生了逆轉(zhuǎn)，強(qiáng)磁鐵極大的干擾了指南針，指針偏轉(zhuǎn)到了極限，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過條形磁鐵的影響。

為何同樣兩塊磁鐵，只是因?yàn)楹椭改厢樀木嚯x不同，實(shí)驗(yàn)結(jié)果天壤之別呢？對(duì)此，我對(duì)這兩塊磁鐵進(jìn)行了分析。鐵氧體條形磁鐵磁性較弱，但它較長(zhǎng)，大約20厘米，圓形強(qiáng)磁鐵磁性很強(qiáng)，但很短，只有約O.2厘米。較長(zhǎng)的條形磁鐵兩極距離遠(yuǎn)，磁力線是以大直徑的圓環(huán)分布的，作用距離遠(yuǎn)；而圓形強(qiáng)磁鐵兩極非常近，磁力線是以小直徑的圓環(huán)分布的，作用距離很近。這就解釋了為什么給人感覺磁性極強(qiáng)的圓形磁鐵離指南針較遠(yuǎn)時(shí)指南針幾乎感受不到它的磁場(chǎng)，而距離很近時(shí)，指南針又受到它極其強(qiáng)烈的干擾。這一點(diǎn)，也提醒我，指南針雖然能感受磁場(chǎng)的強(qiáng)弱，但它不能準(zhǔn)確感受遠(yuǎn)距離的磁場(chǎng)強(qiáng)度，必須近距離。這是因?yàn)橹改厢槻⒉荒芨艨崭惺艽盆F的磁場(chǎng)強(qiáng)度，它能感受到的只是通過它自身指針上的磁力線的強(qiáng)度。這和在磁鐵上掛回形針一個(gè)道理，回形針是接觸磁鐵的，所以能反映出磁鐵接觸部位磁力的大小。所以，如果要用指南針的方式檢測(cè)磁鐵不同部位的磁力大小，理想狀態(tài)應(yīng)該是指南針的指針和被檢測(cè)部位接觸，但這是行不通的。不過我們可以采用較短的指針來盡可能縮短指針和被檢測(cè)磁鐵的距離，這對(duì)于絕大部分被檢測(cè)磁鐵來說已經(jīng)沒有問題了。

還有一個(gè)問題，指南針的指針永遠(yuǎn)指南北，而且必須水平放置，如果直接用它來做磁力計(jì)，使用時(shí)會(huì)受到很大限制，讓人感覺不便。解決的方法是用一塊小磁鐵代替地球磁場(chǎng)，讓它固定磁針的方向，這樣使用起來就不受限制了。此外，用小磁鐵替代還有一個(gè)好處，就是可以調(diào)節(jié)小磁鐵和磁針的距離，從而可以控制這個(gè)磁力計(jì)磁針的靈敏度。

當(dāng)然，這個(gè)簡(jiǎn)易磁力計(jì)不能很精確地定量檢測(cè)，只能定性檢測(cè)，也就是能大概地看出磁力的強(qiáng)弱，不具有精確性，但對(duì)于小學(xué)生而言，對(duì)于教材的要求而言，已經(jīng)足夠了。

二、設(shè)計(jì)制作

下圖是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖，采用一根小磁針，可以用縫衣針自制，長(zhǎng)約14毫米，用軸固定在底盤中央，磁針上鏈接一個(gè)塑料指針，和磁針互相垂直，在磁針旁邊放置一塊小磁鐵，小磁鐵距離磁針大約1厘米。在小磁鐵的作用下，磁針始終固定一個(gè)方向。在底盤下部紅色位置為檢測(cè)點(diǎn)，檢測(cè)點(diǎn)距離磁針大約1厘米。需要檢測(cè)磁鐵什么部位，就把磁鐵這個(gè)部位對(duì)準(zhǔn)檢測(cè)點(diǎn)，磁針就能發(fā)生偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)角度由檢測(cè)點(diǎn)磁鐵磁力的大小決定。

磁力計(jì)的外殼（底盤和手柄）采用3D建模，3D打印生成，可以確保精確度和美觀度。磁針用縫衣針自制，另外還需要用縫衣針制作一根固定軸。塑料指針可以用3D打印，也可以用牙簽代替。另外還需要準(zhǔn)備一塊小的條形磁鐵。

這個(gè)簡(jiǎn)易磁力計(jì)的制作力求做到美觀、指針指示準(zhǔn)確、靈敏，不易出現(xiàn)故障，這就要求制作一個(gè)精細(xì)的外殼，以使磁針、軸、軸的卡槽能精確配合，盡可能減少摩擦阻力，使磁針能靈活轉(zhuǎn)動(dòng)。傳統(tǒng)手工制作比較困難，為此，采用3D建模和3D打印技術(shù)進(jìn)行較精確的制造。下面是用3D軟件設(shè)計(jì)的三維模型圖。

三、測(cè)試改進(jìn)

3D打印機(jī)打印出的外殼質(zhì)量很好，精度較高，經(jīng)過裝配，縫衣針做的軸、磁針、指針都能準(zhǔn)確安裝到位。小磁鐵嵌入一塊小珍珠棉內(nèi)，然后塞入殼內(nèi)，調(diào)整到適當(dāng)位置，磁針轉(zhuǎn)動(dòng)靈活又能穩(wěn)定地指向中間，符合預(yù)期效果。最后，用AB膠粘牢外殼，整體裝配完成。經(jīng)過測(cè)試，發(fā)現(xiàn)用磁鐵靠近這個(gè)簡(jiǎn)易磁力計(jì)后，指針能較好地偏轉(zhuǎn)，但偶爾有卡頓現(xiàn)象。經(jīng)分析，發(fā)現(xiàn)要使磁針靈活轉(zhuǎn)動(dòng)，關(guān)鍵在于軸，軸的好壞直接影響到使用效果。用縫衣針自制的軸如果兩端沒有完全磨尖，不夠光滑，那么在磁力的作用下，這種輕微的瑕疵會(huì)使它轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)阻力大增，結(jié)果就出現(xiàn)了指針有偶爾卡頓的現(xiàn)象。經(jīng)過改進(jìn)軸，使其兩端都磨尖銳，表面都磨光滑，阻力大大降低，指針轉(zhuǎn)動(dòng)非常靈活，卡頓現(xiàn)象不再出現(xiàn)，簡(jiǎn)易磁力計(jì)工作良好。

四、使用效果

用這個(gè)簡(jiǎn)易磁力計(jì)去測(cè)試一塊條形磁鐵，測(cè)試五個(gè)不同部位，測(cè)試結(jié)果令人非常滿意，簡(jiǎn)易磁力計(jì)指針反應(yīng)靈敏，偏轉(zhuǎn)角度差別明顯，磁鐵各部位的磁力大小一目了然，效果相當(dāng)不錯(cuò)。見下圖：

選取一個(gè)班級(jí)做對(duì)比實(shí)驗(yàn)，共12組學(xué)生，每一組學(xué)生都分別用掛回形針和用簡(jiǎn)易磁力計(jì)測(cè)量這兩種方法來研究“磁鐵什么地方磁力最大”這一問題，經(jīng)過統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)用掛回形針的方法平均耗時(shí)約5分鐘，用簡(jiǎn)易磁力計(jì)的平均耗時(shí)約半分鐘。讓學(xué)生對(duì)比兩種方法，提問：“你更喜歡用哪一種方法？”調(diào)查結(jié)果顯示約84%的學(xué)生更喜歡用簡(jiǎn)易磁力計(jì)測(cè)量的方法。繼續(xù)提問：“你對(duì)簡(jiǎn)易磁力計(jì)的原理感興趣嗎？你想了解嗎？”調(diào)查結(jié)果顯示約80%的學(xué)生非常感興趣。在對(duì)學(xué)校6位科學(xué)教師的調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，6位教師都認(rèn)為簡(jiǎn)易磁力計(jì)是能檢測(cè)出磁力大小的，其中5位教師認(rèn)為可以作為一種實(shí)驗(yàn)手段來使用。綜合各方面調(diào)查結(jié)果來看，此簡(jiǎn)易磁力計(jì)使用效果還是很不錯(cuò)的，有一定的使用價(jià)值。

簡(jiǎn)易磁力計(jì)的研制不是要刻意改變?cè)瓉斫滩纳系膶?shí)驗(yàn)方法，它僅僅是實(shí)驗(yàn)方法的一種補(bǔ)充，是學(xué)習(xí)了磁鐵這一單元后給知識(shí)的運(yùn)用提供了一種可能，也可以作為學(xué)生學(xué)習(xí)磁鐵知識(shí)后的一種課外小制作活動(dòng)，更可以作為學(xué)校STEM教育的一種課程資源。

總之，對(duì)簡(jiǎn)易磁力計(jì)的研究和制作是很有意義的，它可以進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生強(qiáng)烈的學(xué)習(xí)興趣和探究欲望，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的能力，讓他們不僅僅知識(shí)上有所增加，更讓他們?cè)谀芰ι嫌袡C(jī)會(huì)得到提高。

[作者單位：蘇州市實(shí)驗(yàn)小學(xué) 江蘇]