师:同学们好,请坐。老师再拿出一个线圈,现在这个线圈有点“紧张”,我们来看看为什么。为什么给线圈通电会出现这样的实验现象呢?大家有什么想法?
生:我感觉它之所以会“紧张”,是因为通电之后在这个螺旋圈上产生了电流的作用,电子作用。
师:对,很好,请坐。他说应该跟通电有关,对吧?老师的问题是通电之后的线圈为什么会出现这样的现象。想要完美解释这个问题,就需要学习今天磁场相关的内容。电和磁有什么联系呢?大家觉得有吗?早在19世纪初,类比两种电荷,同种电荷相互排斥,异种电荷相互吸引,同名磁极相互排斥,异名磁极相互吸引,它们有相似的特征。所以当时有的人坚定地认为电和磁是有联系的,代表人物就是奥斯特。当然,也有像库伦、安培这些权威代表,当时认为电和磁没有联系。那奥斯特想要证明自己的猜想,在物理当中最好的办法是什么?让我们重温奥斯特实验,现在给这根导线通电,请大家注意观察小磁针。看到了什么?
生:小磁针转动了。
师:小磁针为什么转动呢?
生:因为它受到了力的作用。
师:谁给它力的作用?
生:应该就是电流,这是我的想法。
师:非常好,请坐。奥斯特实验说明了电流对磁体会产生力的作用,也就是说通电的导线具有磁效应,奥斯特坚持的探究找到了电和磁之间应该是有联系的。电流对磁体会产生力的作用,那同学们,磁体对电流会不会也有力的作用呢?
生:有。
师:那我们接着来看实验。一个导体放在蹄形磁铁中间,现在给导体通电,请大家注意观察。看到了什么?
生:导体运动了。
师:为什么?你说说看。
生:是磁体给的力。
师:很好,请坐。说明磁体对电流也会有力的作用。现在电流对磁体、磁体对电流都有力的作用,那电流和电流之间会不会也有力的作用呢?
生:有。
师:那我们接着来看。这是生活当中常见的铝箔纸,在铝箔纸的上端,两条都接上电源的正极,下端都接上电源的负极,两条铝箔纸下面的导线通的就是同向电流。好,现在通电,看到什么?
生:……
师:说明同向电流之间也有力的作用。我们再来看,现在一端接电源的正极,另一端接电源的负极,通的是反向电流,现在通电,请大家注意观察,看到了吗?
生:……
师:说明也有力的作用。所以刚刚这个实验说明电流和电流之间有力的作用,加上我们之前学的磁体和磁体之间也会有力的作用。以上这些相互作用的物体直接接触了吗?
生:没有。
师:那这些相互作用是怎样发生的呢?你说。
生:我说是磁场,因为我联想到了电场。
师:棒,请坐,给他鼓掌。电荷之间的相互作用是通过电场作用的,那这个地方其实是通过磁场。磁场是存在于磁体或者电流周围的一种特殊物质,它看不见、摸不着,但是存不存在呢?
生:存在。
师:对放入磁场中的磁体或电流会产生力的作用,这就是磁场的一个基本性质。既然磁场看不见、摸不着,那我们该如何形象地去描述磁场?有什么办法?你说说看。
生:呃,我想到学习电场的时候。
师:有电场线,那这个地方……
生:就可以引入一个磁场线。
师:磁场和电场是不是有类似之处?是不是可以用一种线的方式描述?很好。那我们初中的时候有没有学过什么方法去研究这个看不见的磁场呢?你说说看。
生:小磁针,放小磁针。
师:还有吗?
生:铁屑。
师:非常好,请坐。初中的时候我们学过,可以在条形磁铁周围撒上铁屑,铁屑的排列反映了条形磁铁周围磁场的分布情况。那我们尝试用记号笔将铁屑的排列情况记录下来,画这样一条一条的曲线。在不同的位置放上小磁针,小磁针会有自己的指向,小磁针指向反映了什么呢?你说说看。
生:所在位置受力的方向。
师:非常好,请坐。刚刚同学还说到……
生:我说是小磁针的方向反映的是小磁针在这个地方受到的磁场方向。
师:哎,非常好,同学们很棒。所以在物理学当中可以做这样一个定义,小磁针N极在磁场中受力的方向,或者小磁针静止时N极的指向,反映了该位置磁场的方向。我们刚刚尝试画的一条曲线,就把它叫做磁感线。磁感线每一点的切线方向,表示该位置磁场的方向。同学们,磁感线是真实存在的吗?
生:不是。
师:它是为了帮助我们形象地去描述磁场,所以它不存在。请问同学们,观察平行磁体、条形磁体周围的磁感线分布情况,通过磁感线的分布情况可以看出磁场的哪些性质呢?你说。
生:我看到磁铁两极的磁感线分布得很密,然后离两极远一些就会变得稀疏一点。这说明两极的力更大,远离两极力就会变小。
师:说明磁场的什么呢?
生:磁场的强度。
师:非常好,越密的地方磁场越强,很好,请坐。还有同学有其他发现吗?你说说看。
生:我看所有磁感线好像都是从北极指向南极,形成一个回路,有指向性。
师:很好。同学们,磁感线能相交吗?
生:不能。
师:那磁感线是不是闭合的呢?之前我们学过电场线是不是闭合的?
生:不是。
师:这边磁感线它其实是闭合的,在磁体的内部也有磁场,只是我们看不见,所以磁感线是闭合的。通过前面的实验探究,我们知道产生磁场的场源除去磁体,还可以是谁?
生:电流。
师:那同学们,电流周围的磁场又应该如何分布呢?关于这个问题,老师带来了一些器材。在每个小组的桌子上,有一个横棒和一个圆板构成这样一个平面。我们可以尝试先探究直线电流在这一个截面上的磁场情况。具体操作步骤,第一步,可以在这个平面内撒上铁屑;紧接着要先放好支架,每个组上面都有一对,加好支架之后,统一给老师一个示意,然后由老师统一通电。为什么呢?因为老师使用的电源可以提供大电流,但它是安全的,同学们放心。所以同学们加好支架之后举手示意,紧接着第三步,轻敲这个平板;第四步,放小磁针,小磁针可以侦查磁场的方向,然后请每个组尝试用你们能想到的表达方式呈现你们的实验结果,好不好?听明白了吗?请开始实验。
