师:同学们好,欢迎来到物理课堂。今天我们学习第14单元第一节——简单磁现象。磁学是一门历史悠久的学科。同学们请看司南,据《古矿录》记载,它最早出现于战国时期,是指南针的始祖。很多古书都有关于磁学的记载,北宋科学家沈括在《梦溪笔谈》中记录:“方家以磁石磨针锋,则能指南。”意思是行家用磁石磨针尖就能指南,这在当时可指导人们制作指南针。战国时代的《吕氏春秋》记载有“磁石召铁,或引之也”,这是关于磁石吸铁的记载。春秋战国时期《管子·度地篇》有“上有慈石者,其下有铜金”这样的记载。
其实,我们祖先对磁学的认识远远超过欧洲很多年,在这方面领跑世界。指南针的出现,促进了航海和经济贸易的发展,提高了综合国力。今天,磁学又在哪些领域大显身手呢?同学们请看,这是中国时速600公里的高速磁悬浮列车,它于2021年5月在山东青岛研制成功。今年,也就是2022年6月下水的福建舰,我们中国的第三艘航空母舰,上面装配有先进的电磁弹射系统。其实磁学的应用在各个领域都有体现,大到国防、民用和工业,小到我们身边的磁扣、磁吸,无处不见磁学的影子和磁性材料的应用。同学们,看到这样辉煌的成就,作为中国人是不是非常自豪、兴奋呢?好,那我们今天就从最基础的简单磁现象开始学习。
首先,我们通过一个小实验来认识磁学中的两个基本概念。通过实验,老师手中的条形物体把铁钉、铁制曲别针、镍颗粒、钴丝都吸引上来了。在磁学研究中,我们这样定义:如果物体能够吸引由铁、钴、镍等制成的物品,我们就说这个物体具有磁性,又叫吸铁性。铁、钴、镍以铁为代表最常见,我们又叫铁磁性物质,有磁性的物体称为磁体。其实老师手上刚才拿的就是一个条形磁体,是实验室常见的器材。
同学们思考一个问题,磁体具有磁性,磁体上每一处的磁性一样吗?也就是说磁体上各处磁性强弱都相同吗?这个问题我们能不能通过实验探究来解决呢?先来分析一下,磁体具有磁性,我们要研究磁性强弱,在刚才的实验中,它吸引了铁、钴、镍。那我们能不能找一个条形磁体,让它去吸引容易获取的比如曲别针等物质,然后观察现象。思路有了,我们还要完成以下几个问题:用什么?怎么做?观察什么。很好理解,用什么就是我们选哪些器材,在刚才老师的引导下,你想好要选取什么器材了吗?要注意安全,这里面的大头针和铁钉千万不要伤到手。
怎么做其实就是设计实验步骤,要设计好先做什么再做什么,要有条理,否则会一团糟。最后观察什么其实就是最重要的观察现象,并记录实验结果,同学们尝试着设计一下吧。
好,你的实验设计好了吗?老师也设计了一个实验,我们一起来分享。老师选取的是一个条形磁体和若干曲别针,安全且容易获得。注意观察老师的实验细节,同学们,你看到什么现象了?是的,这个条形磁体两端吸引的曲别针最多。我们就可以说它的两端磁性最强。原来磁体的各处磁性强弱是不一样的,为了表达这个特性,我们引入了一个概念,我们将磁性最强的两个部位称为磁极,也就是说一个磁体有两个部位磁性最强,有两个磁极。
同学们思考一个问题,老师在做实验的时候,不小心把一枚条形磁体摔断了,同学们猜想一下,摔断的一小块条形磁体还有几个磁极?是2个、1个,还剩一个磁极还是其他情况?好,实验是检验真理的唯一标准,老师也做了一个小实验,请同学们认真观察能不能得出答案。
好,我们发现其中这一块小磁体,它的两端吸引了很多曲别针,另外一块小磁体两端也吸引了很多曲别针。那说明断掉的每一块磁体还具有两个磁极。磁极是摔不掉的,不管磁体有多大还是多小,它总是有两个磁极且磁性最强。如果把这枚条形磁体继续分割,我们能得出它依然有两个磁极。
同学们,通过刚才的研究,我们发现磁体有两个磁极且磁性最强,这是两个磁极的共同特征。那两个磁极有没有不同的地方呢?指南针为什么可以指南呢?我们还可以通过一个小实验来认真观察,总结出原因。
就像刚才实验中我们看到的一样,当磁体能够自由转动时,最终总有一个磁极指向北方,我们称之为北极(N极),另一个磁极指向南方,我们称这个磁极为南极(S极)。我们发现两个磁极还有这样的不同点,指南针为什么能指南呢?其实指南针本身就是一个小磁体,它N极可以指示北方,它也有S极可以指示南方。所以它就是根据这个原理为我们指明方向。
我们前面学习了磁体的性质,有吸铁性和指向性,那同学们思考一下,磁体除了这两个性质,磁体和磁体之间还有其他的性质吗?我们前面看到的磁悬浮列车是怎么悬浮起来的呢?我们还是通过一个小实验来揭示这其中的奥秘,老师选用了两个条形磁体,同学们注意观察。实验现象结束,继续调整一下,这次现象变得明显多了。
在这一个实验中,我们可以看到N极和N极相互靠近时是相互排斥的,S极和S极相互靠近时是相互排斥的,而S极和N极靠近时又是相互吸引的,说明磁极和磁极是不一样的,而且两块磁体的两个磁极之间还有相互作用的力学关系。同学们,你现在能回答磁悬浮列车是怎么实现悬浮的了吗?是的,它就是根据同名磁极相互排斥,异名磁极相互吸引,这也是磁体性质的第三条。看来磁极之间的作用力真强大呀。
