直线电流磁感线演示仪的创新设计与实验

摘    要：新人教版高中物理教材中关于通电直导线周围磁场及其与电流方向关系的实验存在一些不足，不能直接得到安培定则。为此，文章介绍了直线电流磁感线演示仪的设计与实验，利用自制装置使实验现象更加直观、立体，有效探究、总结出安培定则，增强了物理实验的科学性，培养了学生的科学思维和创新能力，促进学生物理核心素养的发展。

关键词：直线电流；磁感线；创新实验

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章编号：1003-6148（2023）2-0053-3

物理概念和规律的形成是在观察物理实验现象和理性分析的基础上逐渐建立的。通电直导线周围磁场及其与电流方向的关系是“磁场 磁感线”这节内容的一个重要演示实验，是在初中基础上学习磁场的一个关键性进阶，学生对磁感线这一模型的理解存在一定困难。《普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）》对该节课的内容要求是：“3.3.2通过实验，认识磁场。了解磁感应强度，会用磁感线描述磁场，体会物理模型在探索自然规律中的作用”“例1  判断通电直导线和通电线圈周围磁场的方向，用磁感线描绘通电直导线和通电线圈周围的磁场”［1］。新人教版高中物理必修第三册中“磁场 磁感线”一节基本落实了上述要求，但关于通电直导线周围磁场及其与电流方向的关系的实验探究，教材中的方案仍有许多不足。在对教材和其他实验方案进行分析后，笔者设计并自制了直线电流磁感线演示仪，让学生更直观地体会和理解安培定则。

1    常规实验的不足

磁感线是为了形象描述磁场而引入的假想物理模型，在目前的常规实验教学中，通常采用细铁屑或小磁针来反映磁体或电流周围的磁场［2］，比较形象直观，但也存在一些不足之处。

（1）传统实验只能在一层水平面模拟磁感线，不容易观察，还会导致学生缺乏磁场的立体空间观念。

（2）在探究直线电流周围磁感线的实验中，传统实验器材的直线电流周围细铁屑分布的疏密情况不容易看出，磁感应强度不容易测量，分析实验时牵强地“诱导”学生得出实验结论，说服力不强。

（3）无法利用多个小磁针同时显示直线电流周围磁场的方向，无法探究总结出安培定则。

关于该实验的设计和教学，网上的研究较少，只有少数师生提供了一些实验改进方案。例如，利用自制教具来表现通电直导线磁场方向和电流方向的关系［3］（图1），该实验方法可以让学生直观地理解通电直导线的磁场方向与电流方向的垂直关系，但实验操作起来有一定难度，不利于学生动手实践，不能有效培养学生的科学探究与科学思维能力。

2    创新设计思路

针对现有实验的不足，进行如下思考：如果能够自制一个直线电流磁感线演示仪，在电流周围不同层面上模拟磁感线，定量测出电流周围不同位置磁场强弱，同时显示出电流方向与磁场方向，就可以帮助学生直观地理解直线电流周围磁场以及电流与磁场方向之间的关系，从而有效解决上述问题。对此，笔者想到可以用质轻、透明、易于成型、经济实惠的亚克力板来制作仪器的主体框架，并设置两层水平面板，在仪器中央留出放置直导线的洞口，然后用细铁屑撒在两层水平面板上来模拟通电直导线周围空间的磁感线分布情况。同时，利用磁传感器测量不同位置磁感应强度的大小，进一步验证磁感线的疏密反映磁场的强弱。设计的演示仪尺寸尽量大，就可以采用多个小磁针来显示直线电流周围的磁场方向。为了同时显示直导线的电流方向，可以利用发光二极管的单向导电性来指示电流方向，从而探究安培定则。

3    实验装置和器材

3.1    自制实验仪

如图2所示，器材框架是由亚克力板粘合而成，长宽均为25 cm，高为50 cm，有两层水平面板。对于直导线的选择，最初使用的是一条直径约5 mm的导体棒。但是在实验测试时，发现导体棒周围磁场较小，很难使细铁屑重新分布，也难以使小磁针转动方向，同时导体棒容易发热，所以没有选用导体棒。为了增大电流、减小发热量，想到可以利用铜漆包线并联来实现。因此，器材中间是用一条长为20 m、直径为1.16 mm的漆包线绕制而成的15匝矩形导线框，中间直导线就可以看成15匝电流并联的直线电流。为直观显示中间直导线的电流方向，教具上安装了焊接成箭头形状的发光二极管（LED灯），红灯亮表示电流向上，绿灯亮表示电流向下。

由于发光二极管工作电压较小，我们串联一个滑动变阻器来保护电路，再与自制教具并联，电路图如图 3所示。

3.2    实验器材

自制的直线电流磁感线演示仪、磁传感器（图4）、学生电源、小磁针、细铁屑、摄像装置、滑动变阻器、导线等。

4    实验过程与结论

为了让学生能够更清楚地观察到实验现象，实验操作时我们用一个摄像装置来投影整个实验过程，可以请一个学生上台来帮助老师投影。

（1）先不连接发光二极管，在自制实验仪的两层水平面板上均匀地撒上细铁屑，打开学生电源开关，使用4 V直流电压，同时轻敲两层面板，直至细铁屑呈现清晰的分布图形。可以看到两层面板上的细铁屑重新分布后形成了以导线为圆心的一系列同心圆（图5）。

（2）利用磁传感器来探究直线电流周围不同位置的磁场强弱。将磁传感器与电脑连接，打开朗威DISLab软件，进入实验专用界面，选择磁感应强度的测量，并将磁传感器调零，接着用它来探究直线电流周围不同位置的磁场强弱，结果发现距离电流越远磁场越弱。

（3）将四枚小磁针放置在导线周围的不同位置，连接发光二极管，闭合开关，调节滑动变阻器，红灯亮说明直线电流方向向上，从上往下看，发现小磁针静止时N极沿逆时针方向。然后改变电流方向，闭合开关，绿灯亮，电流向下，小磁针最后静止时N极沿相反方向，即顺时针方向（图6）。

通过实验可以发现，直线电流周围空间的磁感线是垂直于直导线的一系列同心圆。结合磁感线的形状、强弱以及小磁针静止时N极的指向，我们就可以得出直线电流在周围空间的磁感线分布情况，可以播放直线电流周围磁感线动画来帮助学生理解。同时，我们也可以用安培定则来判断直线电流跟其磁感线方向之间的关系，即用右手握住导线，让伸直的拇指所指的方向与电流方向一致，弯曲的四指所指的方向就是磁感线环绕的方向。

5    自制实验仪的创新点

（1）具有教育性。自制实验仪符合新课程教育改革的理念，能激发学生的科学兴趣，促进学生主动学习，在探究直线电流周围磁场及其方向与电流关系的实验中，效果明显直观，有助于教师演示和学生实践，培养学生的探究精神和动手能力。

（2）具有创新性。自制实验仪在以往探究直线电流周围磁场的实验装置中属于首创。创造性地将细铁屑设置在电流周围不同层面上，有助于学生领悟电流周围磁场的立体空间观念。在探究直线电流与磁场方向的关系中，利用发光二极管来显示电流方向，归纳总结出安培定则，非常形象直观，有利于学生建构物理模型，培养创新精神。

（3）具有科学性。磁传感器的应用将数字化实验引入课堂，能够快速、准确地对磁场进行测量和处理，极大地增强了物理实验的科学性，同时让学生体会到科学发现和探究的科学责任与态度，激发学生学习探究的兴趣，培养科学思维，促进物理观念的形成。

6    结束语

物理是一门实验科学，在“三新”（新课改、新课标、新高考）的背景下，对学生的科学思维和科学探究能力的培养愈加重视。直线电流磁感线演示仪的使用不仅能有效解决传统实验的不足，还能直观、立体地模拟直线电流周围的磁感线，探究、总结出安培定则，极大地增强物理实验的科学性，有利于学生经历科学探究过程，培养学生的探究能力、创新能力和科学思维，促进学生物理核心素养的发展。

参考文献：

［1］中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）［S］.北京：人民教育出版社，2020：20.

［2］吴玉琴.《几种常见的磁场》的“翻转”课堂设计［J］.物理教学探讨，2015，33（12）：73-76.

［3］赵莹.猜想探究 自主构建——“几种常见的磁场”教学设计［J］.物理教师，2015，36（2）：27-29.

（栏目编辑    刘   荣）

收稿日期：2022-11-14

基金项目：重庆市高中物理课程创新基地（铜梁中学物理基地）（渝教基【2021】4号）；重庆市教育科学“十四五”规划2021年度重点课题“基于项目式学习的中学物理教学实践研究”（2021—21—248）。

作者简介：韩小翠（1992-），女，中学一级教师，主要从事中学物理教学工作。

*通信作者：舒其君（1978-），男，中学高级教师，主要从事中学物理教学工作。