通电螺线管内部磁感线分布的实验教学思考

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对物理教学中的一些疑难知识点，为了展现隐藏在现象背后的物理本质，需要把课本中的理论知识实验化，以真实面貌还原物理知识，客观真实地反映某个过程或某种现象，提高学习的主动性和积极性，调动学生学习的创造性思维，帮助学生进行理解，巩固和应用，提升课堂教学的有效性.

通电螺线管内部的磁感线分布是一个疑难知识点，抽象而又需要空间思维.人民教育出版社（以下简称人教版）物理课本3-1第87页写着：“环形电流其实就是只有一匝的通电螺线管，通电螺线管则是许多匝环形电流串联而成的.因此，通电螺线管的磁场也就是这些环形电流磁场的叠加.所以，环形电流的安培定则也可以用来判定通电螺线管的磁场，这时，拇指所指的方向是螺线管内部的磁场的方向.”细想后发现，此描述中没有说明通电螺线管内部的磁场强弱是如何分布的，均匀或非均匀，对学生来讲，是一个很大的疑问.如何将该知识化抽象为形象，转三维空间为二维平面，便于学生吸收消化，是笔者在实施课堂教学时思考的一个重点.经过课前准备，课后反思，笔者提出了一个物理实验教学的思路：三类实验模式的整合性层次教学，抛砖引玉，与同行探讨.

1器械实验打先锋，激发学生疑和问

器械实验是物理教学中最传统的实验，实验装置如图1所示.螺线管嵌于一玻璃板中，板上洒上铁粉，装置接于直流电源中，螺线管产生磁场，使板上铁粉磁化，轻敲玻璃板，铁粉逐渐趋于一定的排列，清晰可见的磁感线大概显示出磁场强弱分布的规律性，见图2.

通过实验展示，利用多媒体投影放大，学生对通电螺线管内部的磁感线分布有了粗略印象：形象呈现线条状排列，有直线，有曲线，内部比较集中，则磁场较强，在靠近管口处，呈曲线往两侧散开，则磁场逐渐变弱.由此教师得出结论：通电螺线管内部的磁场是匀强磁场，管口向外，磁场逐渐减弱.

其实不然，好多学生看到的图2中的铁粉分布情况，并不认同通电螺线管内部是匀强磁场.根据人教版课本3-1第88页写着：“匀强磁场的磁感线是一些间隔相同的平行线”，细看图片中的铁粉形成的磁感线并没有符合匀强磁场的条件，分布有疏密，也不是直线，何以说明内部是匀强磁场？只是课本中说出了此结论，所以学生是被动地认同了.但学生的思维中还没有很好地建立起通电螺线管内部的磁场空间分布，教学实验需要进一步提升.

2模拟实验强支援，看清过程动和变

如何有效呈现通电螺线管内部的磁感线分布细节，直观而生动地展示内部磁场的强弱变化，笔者采用了计算机模拟实验，即通过编程，动画展现通电螺线管内部的磁感线分布情况，全方位各向展示磁感线分布，见动画截图3和截图4.

据动画演示，螺线管中通入电流，同时产生了磁场，非常形象地出现了磁感线，无论是内部还是外部，学生都可以清晰地看到磁感线的分布：内部中间部分几乎是间隔相等的平行线，靠近外部，磁感线呈散开状分布，在螺线管外部，磁感线回到了另一极.然后，逐渐变换观察角度，从各个方向进行观看，使学生对通电螺线管的磁感线分布有一个全方位的三维空间概念，把抽象转化为形象，清晰空间各点的磁场强弱变化，帮助学生发现规律、获取并巩固知识，强化理解.

计算机模拟实验展示通电螺线管的磁感线分布具有很强的空间感，但毕竟动画是人编程制作的，是人的主观意识的模拟体现，可能带有一定程度上的简化和美化.强化空间感，增强学生的想象能力是模拟实验的优势，但强弱的分布规律，教师在课堂教学时，还需要进一步说明，使学生信服，主动地“吃”知识，而不是被动地“塞”知识.

3数字实验定乾坤，掌握知识理和解

数字化实验提供了一个科技化的实验操作平台，在传统实验的基础上，信息技术与物理教学进行了有效的融合，在实验演示，数据测量等方面，展现出了强大的实验教学功效.

《浙江省普通高中学科教学指导意见》对数字化实验也有所要求：“会用传感器研究磁场”.人教版物理课本3-1第89页对数字实验“用磁传感器研究磁场”作了详细解述.因此，对磁场强弱的分布，需要数字实验最终定乾坤.

笔者对课本中的实验作了改进，使其能更好地说明通电螺线管内部的磁场强弱变化规律，见图5.

磁传感器用于探测通电螺线管内部的磁场强弱变化，位移传感器用于探测磁传感器探头进入螺线管内部的距离，电流传感器用于探测不同电流强度下的磁场强弱变化.

见图6，为不同电流大小时的螺线管内部的磁场强弱变化图像，显然，大电流产生的磁场整体上均强于小电流产生的磁场，尤其是内部中间部位特明显.但此图像没有显示内部存在匀强磁场，究其原因是螺线管较短，现取一长螺线管进行实验，见图7，得到图像见图8.

图像很明显地描述了长通电螺线管内部存在匀强磁场的情景，中间部位附近的磁场强弱基本处于某一值，靠近管口处，磁场迅速减弱，然后呈递减变化.此图像形象而逼真地展示了现象和过程中的数据对应关系，反映了其内在的规律性，大大提升了实验的可信度和研究性，巩固并提高了学生对知识点的理解和运用，增强了课堂教学的有效性.

4三类实验有机整合，层层递进有效教学

器械实验在传统的基础上，与时俱进，本着体现高中物理新课程实验教学“五化”思想：设计“生活”化，演示“常规”化，操作“自主”化，创设“情景”化，教学“STS（科学、技术、社会）”化，有效呈现物理知识，激发学生的学习积极性；计算机模拟实验能简化研究过程、强化研究条件、加速或延缓物理过程，直观生动地展现细节变化，科学准确地传递大量信息；数字实验实现了信息技术与物理教学的有效融合，拓展了实验的空间性和时间性，在状态演示，展现细节，数据测量等方面，显示了强大的教学功能.

通过三类实验模式的有机整合，层层递进，对知识点的疑问，探索，展现，释疑，理解和巩固，实施有效教学，化抽象为形象，由点到线，再到面，逐步呈现在学生面前，使学生疑有所释，问有所答，理有所解，学有所成.