采用现代加工技术提高自制教具水平——以“电磁阻尼”和“海狮戏球”自制教具为例

吴键兵 陈 娴 唐守平

（1.南京师范大学教师教育学院，江苏 南京 210097；
2.南京师范大学物理科学与技术学院，江苏 南京 210097）

中学物理教学一直鼓励教师开发并自制教具，普通高中物理课程标准［1］（2020年修订）指出：“演示实验是师生共同探究物理问题的学习方式，也是体验性较强的学习方式，教师要积极利用各种器材，创新实验方式，尽可能多地开发可视性强、证据性强、能引起学生浓厚兴趣的演示实验.”

但是，在教学过程中，由于缺乏可视性强的实验演示，影响学生物理概念的构建.例如，在人教版《物理》选择性必修2［2］（35页）的“电磁阻尼”部分，教材中没有给出具体的演示实验，而是通过对落入磁场中的单匝线圈进行受力分析，告知学生什么是电磁阻尼效应.因此，加强自制教具的开发，丰富实验教学资源，对于中学物理教学具有重要的作用.

在自制实验教具时，会涉及高精度、特殊构型教具的制作，采用传统钳工、木工、车工等加工技术时，需要教师具有比较娴熟的技术，同时特殊构型教具的制作加工困难.随着现代加工工艺的发展，激光切割、3D打印等新加工方式的出现，为自制教具提供了新途径.这类加工技术通过软件设计、绘图，再由电脑控制机器加工，可以实现高精度加工，满足特殊构型教具的制作，大大降低了教师的加工技术要求，丰富了物理教学的实验资源.本文以“电磁阻尼”和“海狮戏球”两个教具制作为例，展示了激光切割等现代加工技术在自制教具中的应用.

2.1 设计原理

对教材中“落入磁场中的单匝线圈”进行受力分析，可以发现，线圈进入磁场过程中受到向上的安培力，阻碍线圈的下落.根据这一理论，我们将线圈换成非铁磁类金属板（例如，铝板），并在底座上设置放置磁铁的支架.当支架上未放置磁铁时，铝板从高处下落，由于具有较大的动能，可以轻易砸坏底座上放置的物体（例如：鸡蛋、胡萝卜、黄瓜等）.若在支架上放置磁铁，由于穿过铝板的磁通量发生变化，使得铝板受到向上的安培力作用，给快速下落的铝板减速，最终平稳停在物体上方.在一些科普视频中也有类似的实验现象，［3］给观众留下了深刻印象.

2.2 材料选择

8 mm厚度亚克力板若干、铷磁铁2块、200×200×2 mm铝板1张、330×150×2 mm铁板1张、亚克力材料粘合胶水、胡萝卜或黄瓜1根、螺丝若干.

2.3 教具制作

根据“电磁阻尼”原理，并结合一些科普视频，“电磁阻尼”演示仪设计结构如图1所示，由轨道、磁铁支架、底座组成.底座为一块400×250 mm的亚克力板，用于维持整个装置的稳定性.磁铁支架是一块被弯折90°的“L”型铁板，一面与竖直轨道平面平行，用于放置铷磁铁，其下半部分开孔方便放置物体；
铁板的另一面与底座平行，用螺丝进行固定，铁板与竖直轨道平面之间距离可调，用于调节磁铁与竖直轨道平面的距离.用三块亚克力板拼接形成“Π”型结构的竖直轨道，中间凹槽为铝板竖直下落的轨道.

图1 “电磁阻尼”演示仪模型图

由于轨道、磁铁支架、底座等主要采用拼接方式，要求接口等具有较高的精度，因此采用了软件绘图设计、数字控制加工、激光切割的现代加工技术，便捷地完成了教具的制作.图2是组装完成的“电磁阻尼”演示仪实物图.

图2 演示仪实物图

2.4 实验演示

自制的“电磁阻尼”演示仪主要演示两种实验现象：（1）下落铝板落到底座，切断摆放在下方的黄瓜；
（2）铝板平稳地停在黄瓜上方的某一位置.铝板下落的位置可通过调节磁铁与轨道平面的距离来控制.

调节磁铁支架使磁铁远离铝板下落平面，此时磁铁对下落铝板产生的阻力很小，可以忽略，铝板近似做自由落体运动，具有较大的速度，能够轻易切断下方的黄瓜（如图3所示）.

图3 切断黄瓜

调节磁铁支架使磁铁靠近铝板下落平面，此时磁铁对铝板下落的运动阻碍较大，大大减小了铝板的下落速度，最终铝板平稳地停在黄瓜上方（如图4所示）.

图4 平稳地停在黄瓜上

通过“电磁阻尼”演示仪演示的两个实验现象，即同一高度下落的铝板，一次切断了黄瓜，一次平稳地停在黄瓜上，给学生带来了较强的视觉冲击，明显的实验现象使学生产生了认知冲突，激发了他们的学习兴趣，进而建立新的认知结构.

3.1 海狮戏球的设计原理

图5是“海狮戏球”玩具，当缓慢推动海狮向前移动时，特制小球也会跟着向前移动并且旋转.这是因为海狮和小球中分别放置了一块磁铁，通过磁铁的同极相斥、异极相吸作用，产生“海狮戏球”现象.但是，想要展示玩具应有的物理现象，两块磁铁如何摆放是有要求的.［4］

图5 海狮戏球玩具照片

虽然海狮戏球玩具涉及的物理原理很简单，但给学生展示时也能够产生很奇妙的物理现象，将它应用到物理教学中，可以激发学生对物理探究的兴趣，培养创新思维.但是，在课堂上演示“海狮戏球”现象时，由于无法拆卸玩具，学生看不到内部结构，不利于学生对实验原理的理解.因此，在教学过程中，向学生展示清晰的内部结构，促进学生物理观念的建构，也是制作演示仪器需要考虑的重要方面.

3.2 材料选择

5 mm厚度亚克力板若干、条形磁铁2块、亚克力材料粘合胶水、螺丝若干、可拆塑料空心小球1个.

3.3 教具制作

为了保留玩具原本的趣味性，制作的教具仍然选择海狮形状（图6），但是，海狮形状极不规则，传统工艺制作难度较高，因此，需要采用激光切割的现代加工技术.切割两片不透明亚克力板作为教具的外侧面板，在演示时学生无法看清内部构造，保留其神秘性.海狮内部需要放置磁铁，因此制作的海狮中间需要有一定的空间.通过切割多片中间带有空腔的海狮形状的亚克力板（图7），叠加起来，这样海狮模型就可以留出一个放置磁铁的长方体空间.最后将多片海狮形状的亚克力板叠在一起，从三个圆圈插入、拧紧螺丝，即可制作出一个海狮形状的模型（图8）.这种可拆装结构为教学过程中向学生展示清晰的内部结构提供了可能.小球和磁铁可以直接购买，但是条形磁铁竖直放入小球时，其长度不能超过小球半径，以保证磁铁加小球的组合体重心较低，达到实验的预期效果.

图6 海狮模型A图

图7 海狮模型B图

图8 海狮戏球教具

3.4 实验演示

在调试自制的“海狮戏球”玩具时发现，不仅可以演示海狮推着小球向前运动，还可以演示海狮后退时，小球也跟着后退，产生两种现象的关键因素是两块磁铁摆放的位置关系.

如图9所示，当海狮中的磁铁在zOy平面内并与z轴有一定的夹角θ、小球中的磁铁在与zOy平行的平面中并与z轴平行时，由于两块磁铁的同极大致相对，此时推动海狮向小球靠近，会对小球施加沿x轴的推力F，从而使小球内磁铁绕前进轴偏转.［5］最终表现为小球旋转前进.如果两块磁铁按照图10的位置摆放，即两块磁铁异极大致相对.此时，当海狮远离小球时，对小球内磁铁施加的推力F就变成了与x轴方向相反的吸引力F′，最终实现小球旋转后退.为了方便调节磁铁角度，可以在海狮内的磁铁上粘一根小木棒，并延伸到海狮模型外面（图11），通过旋转木棒，调整磁铁角度，向学生演示海狮隔空推着小球前进以及拉着小球后退的两种现象.

图9 海狮推着小球前进

图10 海狮拉着小球后退

图11 海狮内磁铁剖面图

物理学是以实验为基础的科学，物理教学必须以实验为基础.自制教具可以更好地实现教学目标，易于揭示物理现象的本质特征；
而且可以使学生感到亲切，含有许多创造教育的元素.

传统的自制教具是通过对生活中的一些物品进行加工而来，故而常存在限制多、精度低以及技术要求高等问题.随着现代加工技术的普及，现代加工技术精度高，操作简单，能够制作出我们想要的任意形状的部件，这为自制教具带来极大的方便，教具制作的技术门槛和成本不断降低，［6］可以让更多教师的创作灵感得以实现.