韓小翠，舒其君，夏煜明

重慶市銅梁中學(xué)校，重慶 402560

物理概念和規(guī)律的形成是在觀察物理實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和理性分析的基礎(chǔ)上逐漸建立的。通電直導(dǎo)線周圍磁場(chǎng)及其與電流方向的關(guān)系是“磁場(chǎng) 磁感線”這節(jié)內(nèi)容的一個(gè)重要演示實(shí)驗(yàn)，是在初中基礎(chǔ)上學(xué)習(xí)磁場(chǎng)的一個(gè)關(guān)鍵性進(jìn)階，學(xué)生對(duì)磁感線這一模型的理解存在一定困難?！镀胀ǜ咧形锢碚n程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》對(duì)該節(jié)課的內(nèi)容要求是：“3.3.2通過實(shí)驗(yàn)，認(rèn)識(shí)磁場(chǎng)。了解磁感應(yīng)強(qiáng)度，會(huì)用磁感線描述磁場(chǎng)，體會(huì)物理模型在探索自然規(guī)律中的作用”“例1 判斷通電直導(dǎo)線和通電線圈周圍磁場(chǎng)的方向，用磁感線描繪通電直導(dǎo)線和通電線圈周圍的磁場(chǎng)”［1］。新人教版高中物理必修第三冊(cè)中“磁場(chǎng) 磁感線”一節(jié)基本落實(shí)了上述要求，但關(guān)于通電直導(dǎo)線周圍磁場(chǎng)及其與電流方向的關(guān)系的實(shí)驗(yàn)探究，教材中的方案仍有許多不足。在對(duì)教材和其他實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行分析后，筆者設(shè)計(jì)并自制了直線電流磁感線演示儀，讓學(xué)生更直觀地體會(huì)和理解安培定則。

1 常規(guī)實(shí)驗(yàn)的不足

空間觀念。

（2）在探究直線電流周圍磁感線的實(shí)驗(yàn)中，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)器材的直線電流周圍細(xì)鐵屑分布的疏密情況不容易看出，磁感應(yīng)強(qiáng)度不容易測(cè)量，分析實(shí)驗(yàn)時(shí)牽強(qiáng)地“誘導(dǎo)”學(xué)生得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論，說服力不強(qiáng)。

（3）無法利用多個(gè)小磁針同時(shí)顯示直線電流周圍磁場(chǎng)的方向，無法探究總結(jié)出安培定則。

關(guān)于該實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)和教學(xué)，網(wǎng)上的研究較少，只有少數(shù)師生提供了一些實(shí)驗(yàn)改進(jìn)方案。例如，利用自制教具來表現(xiàn)通電直導(dǎo)線磁場(chǎng)方向和電流方向的關(guān)系［3］（圖 1），該實(shí)驗(yàn)方法可以讓學(xué)生直觀地理解通電直導(dǎo)線的磁場(chǎng)方向與電流方向的垂直關(guān)系，但實(shí)驗(yàn)操作起來有一定難度，不利于學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐，不能有效培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究與科學(xué)思維能力。

圖1 通電直導(dǎo)線電流方向與磁場(chǎng)方向的關(guān)系

磁感線是為了形象描述磁場(chǎng)而引入的假想物理模型，在目前的常規(guī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，通常采用細(xì)鐵屑或小磁針來反映磁體或電流周圍的磁場(chǎng)［2］，比較形象直觀，但也存在一些不足之處。

（1）傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)只能在一層水平面模擬磁感線，不容易觀察，還會(huì)導(dǎo)致學(xué)生缺乏磁場(chǎng)的立體

2 創(chuàng)新設(shè)計(jì)思路

針對(duì)現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)的不足，進(jìn)行如下思考：如果能夠自制一個(gè)直線電流磁感線演示儀，在電流周圍不同層面上模擬磁感線，定量測(cè)出電流周圍不同位置磁場(chǎng)強(qiáng)弱，同時(shí)顯示出電流方向與磁場(chǎng)方向，就可以幫助學(xué)生直觀地理解直線電流周圍磁場(chǎng)以及電流與磁場(chǎng)方向之間的關(guān)系，從而有效解決上述問題。對(duì)此，筆者想到可以用質(zhì)輕、透明、易于成型、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的亞克力板來制作儀器的主體框架，并設(shè)置兩層水平面板，在儀器中央留出放置直導(dǎo)線的洞口，然后用細(xì)鐵屑撒在兩層水平面板上來模擬通電直導(dǎo)線周圍空間的磁感線分布情況。同時(shí)，利用磁傳感器測(cè)量不同位置磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小，進(jìn)一步驗(yàn)證磁感線的疏密反映磁場(chǎng)的強(qiáng)弱。設(shè)計(jì)的演示儀尺寸盡量大，就可以采用多個(gè)小磁針來顯示直線電流周圍的磁場(chǎng)方向。為了同時(shí)顯示直導(dǎo)線的電流方向，可以利用發(fā)光二極管的單向?qū)щ娦詠碇甘倦娏鞣较颍瑥亩骄堪才喽▌t。

3 實(shí)驗(yàn)裝置和器材

3.1 自制實(shí)驗(yàn)儀

如圖2所示，器材框架是由亞克力板粘合而成，長寬均為25 cm，高為50 cm，有兩層水平面板。對(duì)于直導(dǎo)線的選擇，最初使用的是一條直徑約5 mm的導(dǎo)體棒。但是在實(shí)驗(yàn)測(cè)試時(shí)，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)體棒周圍磁場(chǎng)較小，很難使細(xì)鐵屑重新分布，也難以使小磁針轉(zhuǎn)動(dòng)方向，同時(shí)導(dǎo)體棒容易發(fā)熱，所以沒有選用導(dǎo)體棒。為了增大電流、減小發(fā)熱量，想到可以利用銅漆包線并聯(lián)來實(shí)現(xiàn)。因此，器材中間是用一條長為20 m、直徑為1.16 mm的漆包線繞制而成的15匝矩形導(dǎo)線框，中間直導(dǎo)線就可以看成15匝電流并聯(lián)的直線電流。為直觀顯示中間直導(dǎo)線的電流方向，教具上安裝了焊接成箭頭形狀的發(fā)光二極管（LED燈），紅燈亮表示電流向上，綠燈亮表示電流向下。

圖2 直線電流磁感線演示儀

由于發(fā)光二極管工作電壓較小，我們串聯(lián)一個(gè)滑動(dòng)變阻器來保護(hù)電路，再與自制教具并聯(lián)，電路圖如圖3所示。

圖3 自制教具電路

3.2 實(shí)驗(yàn)器材

自制的直線電流磁感線演示儀、磁傳感器（圖4）、學(xué)生電源、小磁針、細(xì)鐵屑、攝像裝置、滑動(dòng)變阻器、導(dǎo)線等。

圖4 磁傳感器

4 實(shí)驗(yàn)過程與結(jié)論

為了讓學(xué)生能夠更清楚地觀察到實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，實(shí)驗(yàn)操作時(shí)我們用一個(gè)攝像裝置來投影整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程，可以請(qǐng)一個(gè)學(xué)生上臺(tái)來幫助老師投影。

（1）先不連接發(fā)光二極管，在自制實(shí)驗(yàn)儀的兩層水平面板上均勻地撒上細(xì)鐵屑，打開學(xué)生電源開關(guān)，使用4 V直流電壓，同時(shí)輕敲兩層面板，直至細(xì)鐵屑呈現(xiàn)清晰的分布圖形?？梢钥吹絻蓪用姘迳系募?xì)鐵屑重新分布后形成了以導(dǎo)線為圓心的一系列同心圓（圖5）。

圖5 通電直導(dǎo)線周圍細(xì)鐵屑分布

（2）利用磁傳感器來探究直線電流周圍不同位置的磁場(chǎng)強(qiáng)弱。將磁傳感器與電腦連接，打開朗威DISLab軟件，進(jìn)入實(shí)驗(yàn)專用界面，選擇磁感應(yīng)強(qiáng)度的測(cè)量，并將磁傳感器調(diào)零，接著用它來探究直線電流周圍不同位置的磁場(chǎng)強(qiáng)弱，結(jié)果發(fā)現(xiàn)距離電流越遠(yuǎn)磁場(chǎng)越弱。

（3）將四枚小磁針放置在導(dǎo)線周圍的不同位置，連接發(fā)光二極管，閉合開關(guān)，調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器，紅燈亮說明直線電流方向向上，從上往下看，發(fā)現(xiàn)小磁針靜止時(shí)N極沿逆時(shí)針方向。然后改變電流方向，閉合開關(guān)，綠燈亮，電流向下，小磁針最后靜止時(shí)N極沿相反方向，即順時(shí)針方向（圖6）。

圖6 通電直導(dǎo)線電流與周圍磁場(chǎng)方向

通過實(shí)驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，直線電流周圍空間的磁感線是垂直于直導(dǎo)線的一系列同心圓。結(jié)合磁感線的形狀、強(qiáng)弱以及小磁針靜止時(shí)N極的指向，我們就可以得出直線電流在周圍空間的磁感線分布情況，可以播放直線電流周圍磁感線動(dòng)畫來幫助學(xué)生理解。同時(shí)，我們也可以用安培定則來判斷直線電流跟其磁感線方向之間的關(guān)系，即用右手握住導(dǎo)線，讓伸直的拇指所指的方向與電流方向一致，彎曲的四指所指的方向就是磁感線環(huán)繞的方向。

5 自制實(shí)驗(yàn)儀的創(chuàng)新點(diǎn)

（1）具有教育性。自制實(shí)驗(yàn)儀符合新課程教育改革的理念，能激發(fā)學(xué)生的科學(xué)興趣，促進(jìn)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)，在探究直線電流周圍磁場(chǎng)及其方向與電流關(guān)系的實(shí)驗(yàn)中，效果明顯直觀，有助于教師演示和學(xué)生實(shí)踐，培養(yǎng)學(xué)生的探究精神和動(dòng)手能力。

（2）具有創(chuàng)新性。自制實(shí)驗(yàn)儀在以往探究直線電流周圍磁場(chǎng)的實(shí)驗(yàn)裝置中屬于首創(chuàng)。創(chuàng)造性地將細(xì)鐵屑設(shè)置在電流周圍不同層面上，有助于學(xué)生領(lǐng)悟電流周圍磁場(chǎng)的立體空間觀念。在探究直線電流與磁場(chǎng)方向的關(guān)系中，利用發(fā)光二極管來顯示電流方向，歸納總結(jié)出安培定則，非常形象直觀，有利于學(xué)生建構(gòu)物理模型，培養(yǎng)創(chuàng)新精神。

（3）具有科學(xué)性。磁傳感器的應(yīng)用將數(shù)字化實(shí)驗(yàn)引入課堂，能夠快速、準(zhǔn)確地對(duì)磁場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量和處理，極大地增強(qiáng)了物理實(shí)驗(yàn)的科學(xué)性，同時(shí)讓學(xué)生體會(huì)到科學(xué)發(fā)現(xiàn)和探究的科學(xué)責(zé)任與態(tài)度，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)探究的興趣，培養(yǎng)科學(xué)思維，促進(jìn)物理觀念的形成。

6 結(jié)束語

物理是一門實(shí)驗(yàn)科學(xué)，在“三新”（新課改、新課標(biāo)、新高考）的背景下，對(duì)學(xué)生的科學(xué)思維和科學(xué)探究能力的培養(yǎng)愈加重視。直線電流磁感線演示儀的使用不僅能有效解決傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的不足，還能直觀、立體地模擬直線電流周圍的磁感線，探究、總結(jié)出安培定則，極大地增強(qiáng)物理實(shí)驗(yàn)的科學(xué)性，有利于學(xué)生經(jīng)歷科學(xué)探究過程，培養(yǎng)學(xué)生的探究能力、創(chuàng)新能力和科學(xué)思維，促進(jìn)學(xué)生物理核心素養(yǎng)的發(fā)展。