电磁铁的磁力(一)科学课堂教学设计

电磁铁的磁力(一)科学课堂教学设计（通用12篇）

篇1：电磁铁的磁力(一)科学课堂教学设计

电磁铁的磁力

（一）教学设计

下舍中心学校 沈燎原

一、教学目标：

科学概念：

1．电磁铁的磁力是可以改变的。

2．电磁铁的磁力大小与线圈的圈数有关：圈数少磁力小，圈数多磁力大。过程与方法：

1．有一定根据地进行假设，找出认为可能影响电磁铁磁力的因素。

2．在教师的指导下，会识别变量设计对比实验，会控制变量检验线圈圈数对磁力大小影响。3．能对本小组实验方案作介绍说明，体会交流与讨论能引发细腻的想法。情感、态度、价值观：

1．能够大胆的想象，又有根据的假设。2．能够以严谨的科学态度做检验假设的实验。

二、教学重点：能控制变量检验线圈圈数对磁力大小影响。

三、教学难点：能控制变量检验线圈圈数对磁力大小影响。

四、教学准备：电池（有的组1节、有的组2节）、电池盒、导线、1根长约1米的导线、大小不同的铁钉、1包大头针。

五、教学过程：

（一）实验导入

1． 在上课之前，老师为大家准备了一个小实验，想不想看看？演示实验，你看到了什么？ 2． 那它是由什么组成的？（板书：电池、导线、铁钉）

3． 很简单，想不想自己也来做一个？看看你们做的电磁铁能吸多少大头针？组长上来领取材料，开始实验。

4．（学生汇报结果，老师进行相应的板书）你发现了什么？电磁铁的磁力大小究竟与什么因素有关呢？今天我们就来研究“电磁铁的磁力

（一）”（板书课题）

（二）大胆猜想，充分假设

1． 电磁铁的磁力大小与哪些因素有关呢？科学家们在进行科学研究时，第一步就是要对研究的问题作出假设。（板书：作出假设）我们也来做一回科学家怎么样？我们也来猜一猜影响电磁铁磁力大小的因素有哪些呢？今天老师还有一个更高的要求，不仅要说出我们的假设，还要说出这样假设的简单理由。

2． 下面先单独思考一下，在进行小组讨论，作出本小组的假设。（学生活动）3． 小组汇报，老师进行板书：电池数量、线圈数、铁芯粗细„„

4． 刚才各小组都作出了自己的假设，那么在这些因素中，你们小组觉得什么因素可能是影响电磁铁磁力大小最大的因素呢？

（三）设计实验，验证假设

1． 同学们提出了很多假说，因为时间关系，这节课我们先重点研究线圈圈数与电磁铁磁力大小的关系。

2． 为了使研究更科学，在研究之前，我们首先要制订研究计划。（板书：制订计划）3． 我们已经确定了研究的问题，那我们怎样来设计这个对比实验呢？ 4． 下面请各个小组讨论并制订研究计划，完成实验活动单。

5． 下面哪个小组来汇报自己的研究计划？有没有小组需要补充的，为了实验的统一性，我们规定线圈分别为20、40、60、80圈。

6． 在这个实验中，除了同学们所说的研究计划，老师这里有一些实验小贴示我们一起来看一下。

7． 各组实验，做好记录。（老师下位指导）（板书：实验验证）8． 各小组汇报实验结果。（各组长在电脑中打出）

9． 从你们小组的数据中你发现了什么？（板书：我的发现）从全班8个小组收集到的数据你又发现了什么？

10.小结：通过实验我们发现：电磁铁磁力大小与线圈的圈数有关，圈数越多，磁力越大；圈数越少，磁力越大。

（四）总结延伸，承上启下

1． 学完今天这节课，你有什么收获？是的，今天我们像科学家一样经历了“提出问题——作出假设——制订计划——交流计划——实验验证”的步骤研究了电磁铁的磁力大小与线圈之间的关系。刚才我们各小组还提出了其他的假说，这些因素是否也会影响电磁铁的磁力大小呢？下节课我们还将继续研究。

2． 最后老师还有一个要求，回家后，自己准备材料，制作一个强大电磁铁，下次科学课我们来个比赛看谁做的电磁铁磁力最大？你又会产生什么新问题？。

（五）板书设计

电磁体的磁力

（一）电磁铁的组成：线圈、铁钉、电池（电流）提出问题：电磁铁磁力大小与什么因素有关？ 作出假设：线圈圈数，电池多少，铁钉粗细······· 制定计划 实验验证

我的发现：电磁铁的磁力大小与线圈的圈数有关：圈数少磁力小，圈数多磁力大。

电磁铁的磁力

（一）教学设计

教学过程：

（一）实验导入

1．在上课之前，老师为大家准备了一个小实验，想不想看看？演示实验，你看到了什么？ 那它是由什么组成的？（板书：电池、导线、铁钉）２．很简单，想不想自己也来做一个？看看你们做的电磁铁能吸多少大头针？组长上来领取材料，开始实验。３．（学生汇报结果，老师进行相应的板书）你发现了什么？电磁铁的磁力大小究竟与什么因素有关呢？今天我们就来研究“电磁铁的磁力

（一）”（板书课题）

（二）大胆猜想，充分假设 １．电磁铁的磁力大小与哪些因素有关呢？科学家们在进行科学研究时，第一步就是要对研究的问题作出假设。（板书：作出假设）我们也来做一回科学家怎么样？我们也来猜一猜影响电磁铁磁力大小的因素有哪些呢？今天老师还有一个更高的要求，不仅要说出我们的假设，还要说出这样假设的简单理由。

２．下面先单独思考一下，在进行小组讨论，作出本小组的假设。（学生活动）３．小组汇报，老师进行板书：电池数量、线圈数、铁芯粗细、、、、４．刚才各小组都作出了自己的假设，那么在这些因素中，你们小组觉得什么因素可能是影响电磁铁磁力大小最大的因素呢？

（三）设计实验，验证假设

１．同学们提出了很多假说，因为时间关系，这节课我们先重点研究线圈圈数与电磁铁磁力大小的关系。

２．为了使研究更科学，在研究之前，我们首先要制订研究计划。（板书：制订计划）３．我们已经确定了研究的问题，那我们怎样来设计这个对比实验呢？ ４．下面请各个小组讨论并制订研究计划，完成实验活动单。

５．下面哪个小组来汇报自己的研究计划？有没有小组需要补充的，为了实验的统一性，我们规定线圈分别为20、40、60、80圈。

６．在这个实验中，除了同学们所说的研究计划，老师这里有一些实验小贴示我们一起来看一下。

７．各组实验，做好记录。（老师下位指导）（板书：实验验证）８．各小组汇报实验结果。（各组长在电脑中打出）

９．从你们小组的数据中你发现了什么？（板书：我的发现）从全班8个小组收集到的数据你又发现了什么？

10．小结：通过实验我们发现：电磁铁磁力大小与线圈的圈数有关，圈数越多，磁力越大；圈数越少，磁力越大。

（四）总结延伸，承上启下

１．学完今天这节课，你有什么收获？是的，今天我们像科学家一样经历了“提出问题——作出假设——制订计划——交流计划——实验验证”的步骤研究了电磁铁的磁力大小与线圈之间的关系。刚才我们各小组还提出了其他的假说，这些因素是否也会影响电磁铁的磁力大小呢？下节课我们还将继续研究。

２．最后老师还有一个要求，回家后，自己准备材料，制作一个强大电磁铁，下次科学课我们来个比赛看谁做的电磁铁磁力最大？你又会产生什么新问题？。

篇2：电磁铁的磁力(一)科学课堂教学设计

《电磁铁的磁力

（一）》教学设计

一、教学目标：

科学概念：

1．电磁铁的磁力是可以改变的。

2．电磁铁的磁力大小与线圈的圈数有关：圈数多磁力大，圈数少磁力小。

过程与方法：

1．经历一个较深入的科学研究过程，引导学生提出问题，作出假设，设计实验，进行检验，汇报交流，共享成果。

2.通过倾听，提问，共享其他小组的研究成果。让学生知道交流与讨论能引发新的想法。

情感、态度、价值观：

1．能够大胆地想象，又有根据地假设。

2．能够以严谨的科学态度做检验假设的实验。

二、教学重难点：能控制变量检验线圈圈数对磁力大小的影响。

三、教学准备：

小组：新的1号电池、电池盒、长导线、大小相同的铁芯、1包大头针、实验记录单1、2、3。

教师：新的1号电池、电磁铁、若干包大头针、ppt、实物投影。

四、教学时间：一课时

五、教学过程：

（一）引入

1.上节课我们学习了电磁铁，老师想考考你们，对于电磁铁，你了解了哪些知识？

2．（出示大屏幕）师：这是上节课你们自己制作的电磁铁吸起大头针数量的统计表，请同学们分析这些数据，说一说，你有什么发现？（出示统计表）

生：不同小组电磁铁吸引的大头针数不同。（电磁铁的磁力不同）

3．（出示电磁铁）下课后，老师也制作了一个电磁铁，你们想看一看它的表现吗？（教师演示）

4.（出示电磁起重机图片）这些各种不一样的起重机，它们都是利用电磁铁的基本原理来工作的，这些家伙那才牛！一次能吸数吨重的铁，厉害吧！让我们一起来看一段视频，了解一下它们的工作情况。（播放电磁起重机视频）

2015年公开课资料

看完了视频，再看看老师制作的电磁铁，想一想上节课你们自己制作的电磁铁，此时，你们心中有什么感想或疑问吗？

（预设）为什么我们制作的电磁铁磁力那么小？电磁铁的磁力大小与哪些因素有关？

师：你们也想知道这些问题的答案吗？那好，今天这节课就让我们一起来研究电磁铁的磁力。（板书课题：电磁铁的磁力一）

（二）作出假设

1．要想增强你们自己制作的电磁铁的磁力，首先就要弄清楚影响电磁铁磁力大小的因素。那电磁铁的磁力大小与哪些因素有关呢？下面，我们以小组为单位进行讨论。在讨论之前，老师给你们一点小小的提示，请看大屏幕。

（出示大屏幕）温馨提示：

电磁铁的磁力大小和哪些因素有关

1.猜测是科学实验的前奏，不是凭空的乱想，而是有理有据的推想； 2.应该从相关的实验材料和产生磁力的条件去找。

2.出示电磁铁图：请同学们结合电磁铁的基本结构图，从所需材料的长短、大小、形状等方面进行思考。再来看具体要求。出示

具体要求：

1.在交流假设时说一说假设的理由

2.有几种猜想就写几种，尽量多找些，填写在记录表

（一）中 3.在你们认为影响最大的因素前用*表示，并说说为什么。

3.同学们，让我们放飞想象的翅膀，拿出实验记录表

（一），开始你们的大胆猜测吧！

4.学生分小组讨论，教师巡视指导。5．小组交流讨论结果，教师板书： 影响电磁铁磁力可能的因素有：

线圈：圈数、导线的粗细、缠绕的方向 铁芯：粗细、长短、形状 电池：节数

6．通过刚才的讨论，我们找到了这么多的可能因素。细心观察勤动脑，是科学家要具备的两个基本素质。今天，老师看到你们做到了，而且做得非常好。

2015年公开课资料

但这些找到的可能因素，仅仅是我们的猜测，这些猜想对吗，我们还得靠什么来证明呢？在你们找到的这些可能因素里面，其中对电磁铁磁力影响最大的因素有哪些呢？

抽答（要说出原因），教师做出标注。

（三）设计方案

1、师：今天这节课，我们就先来研究对电磁铁磁力影响最大的因素之一——线圈的圈数与磁力大小的关系。（板书：圈数，磁力 ？）你们认为电磁铁的磁力大小与线圈的圈数有怎样的关系呢？（抽答）和他猜测一样的同学请举手。这些，仅仅是我们的猜测，要知道你们的猜测对吗，老师说了可不算，还得靠什么来说话？在实验之前，别忘了先一定要设计实验方案。让我们一起来看大屏幕。（出示大屏幕）

设计方案（填写记录本二）1.“改变的条件”是什么？ 2.“不改变的条件”有哪些？

3.在“怎么改变中”要提前思考以下问题： ⑴第一次绕多少圈合适？

⑵每次对比的圈数应该相差多少，才能更方便我们观察？

⑶如果有的小组设计的圈数过多，已经超过了铁芯的长度，该怎么办？ 师：小小设计师，让我们拿出实验记录表二，开始小组设计实验方案，动起笔来吧！

2、学生分小组制定实验方案，教师巡视指导。

3、交流实验方案（实物投影）

（1）一个小组交流计划，其他小组完善补充他们的计划。

（2）分析计划：

A．我们的假设：电磁铁的磁力大小与线圈圈数有关。圈数多，磁力大；圈数少，磁力小

B．改变的条件：线圈圈数。

C．不变的条件：

铁芯粗细、长短、形状；

线圈粗细、长短；

电池的节数。

2015年公开课资料

用一句话来概括：只改变线圈的圈数，其他条件都不改变。其他组汇报改变的条件。哪组设计最科学合理呢？

提示：老师今天给你们准备了一个长 一样的铁芯，1米的导线一根以及一节新的一号电池。一节干电池的电量要正常吸大头针，至少要缠绕这种导线20圈，而1米的导线最多可缠绕80圈。在我们过去设计的对比实验中，为了让我们更直观地观察实验现象，对照组和实验组对比差距越大越方便我们观察还是越小越方便我们观察呢？那今天老师给你们提供的实验材料中，怎样才能更大限度地设计变量让我们更好地观察呢？让我们来看一看，(出示大屏幕)这是全班同学刚才的讨论，请你们结合这个讨论，修改完善你们的实验计划。

结合全班讨论后“怎样改变的建议” 第一次实验20圈

第二、三次实验的圈数应该是前一次实验的倍数增长（40圈、60圈）老师给你们准备的铁芯，一层最多只能绕40圈，那要绕60圈该怎么办呢？ 铁芯不够长时，可以绕两层，在第一层末端打个结，再绕第二层，绕的方向要和第一层相同。

4、学生修改实验方案。

（四）实验验证

1、师：设计出了科学合理的实验方案，激动人心的时刻马上就要到了。不过别着急，我们来看一下实验要求：（出示大屏幕）

实验操作注意事项

不要把电磁铁长时间接在电路中

规范操作：接通电源吸引大头针，慢慢移动，断开电源数数 每次实验都要做三次，取其平均值 合理分工合作，填写记录表

（三）师：勤动手是科学家必备的第三个基本素质，小小科学家们，拿出你们的实验材料，开始动手实验吧！

2、实施计划

（1）学生实验

（2）完成电磁铁磁力大小与线圈圈数关系实验记录表

3、分小组交流实验结果

2015年公开课资料

4、分析实验数据：从这些数据中，你们找到了今天的答案吗？

学生说出自己的想法：电磁铁的磁力与线圈圈数有关。圈数多磁力大，圈数少磁力小。

同学们回过头来看看我们的猜测，我们的结论和猜测一样吗？

祝贺你们，你们很棒，老师为你们感到骄傲，让我们以热烈的掌声为我们像科学家一样研究电磁铁的磁力而喝彩，现在这个问号可以擦去了。

（五）小结实验步骤

时间过得真快，转眼就要下课了，可我们刚刚才感受到成功的喜悦，让我们带着喜悦的心情，再次分享、回味整个实验过程：

首先，我们提出了本节课要研究的问题——电磁铁的磁力大小与线圈的圈数有关系吗，这个实验步骤叫提出问题；接着，我们全班提出了一个大胆的猜测，这个步骤叫做科学假设；然后，我们全班同学讨论制定、修改完善实验方案，这个步骤叫设计方案；后来，我们全班同学动手实验，找到了真实的实验数据，这个步骤叫实验探究；最后，我们通过分析实验数据，找出规律，得到今天我们研究问题的答案，这个步骤叫做得出结论。这就是我们今天像科学家那样研究线圈圈数与电磁铁磁力大小的完整实验步骤，其实这也是科学家进行其他研究的基本实验步骤。

（六）揭示本课学习目标

通过本节课的学习，你有哪些收获？

（出示学习目标）请同学们认真衡量，达到了本课学习目标的请举手。

（七）拓展延伸

篇3：电磁铁的磁力(一)科学课堂教学设计

实验室用磁力驱动反应釜是化工企业、科研院校、研究所进行化学实验的主要反应设备之一, 它具有承压能力高、釜盖开启方便、操作维护简单、无泄漏的优点。到目前为止, 国内外关于实验室用的反应釜种类很多, 实验釜主要由承压釜体 (承压容器) 、釜盖、加热装置、冷却装置、搅拌装置、磁力传动装置以及安全附件、阀门等组成, 见下图。

常规实验室用反应釜的加热装置主要采用电加热的结构对反应介质进行加热, 以促进化学反应的进行, 也有采用导热油加热以及蒸汽加热的方式对介质进行加热的, 但是在实际操作过程中, 普遍反映加热效率低、时间长, 温度控制精度差, 保温效果差, 直接导致实验的周期长, 实验采集数据准确度降低, 实验成功率降低, 实验成本增加。

针对目前实验用反应釜存在缺点和问题, 开发研制一种新型的实验室用磁力驱动反应釜, 除了具有常规磁力驱动反应釜的特点, 还能具有加热效率高, 温度控制精确等特点, 成为各大企业院校的迫切需求。

2 反应釜加热方式选择

目前国内传统反应釜普遍采用的加热方式均为介质传热, 包括电炉加热以及导热油、蒸汽等介质传热。但无论是哪种方式都存在效率不高、热量散失严重的问题, 这对能源是一种浪费, 也极大地使用单位的生产效率, 严重地影响了经济效益。行业内迫切需求对反应釜的加热方式进行改进, 改变目前耗能高、效益低的尴尬现状。而电磁加热方式作为一种相当成熟的技术, 已成功应用在电磁炉、化纤注塑等行业, 并取得了非常好的效果。

在此情况下, 研究人员对国内相关科研院所的研发流程以及大型化工厂、制药厂、助剂厂、农药厂等企业的生产工艺进行了详细的了解, 收集了科技研发、实际生产流程中所涉及的反应工艺参数, 并对现场应用的反应釜效果进行了检测, 得到了“第一手”的资料。同时查阅了国内外大量的相关科技文献资料, 最后结合自身多年的研究成果, 提出该电磁加热磁力驱动反应釜的设计方案, 并反复论证了反应釜行业引入电磁技术的可行性, 提出了开发研制电磁加热实验用磁力驱动反应釜的新课题。

3 电磁加热实验用磁力驱动反应釜结构设计

3.1 加热方式的选择

电磁加热的原理是通过电子线路板组成部分产生交变磁场、当用含铁质容器放置上面时, 容器表面具即切割交变磁力线而在容器底部金属部分产生交变的电流 (即涡流) , 涡流使容器底部的铁原子高速无规则运动, 原子互相碰撞、摩擦而产生热能。从而起到加热物品的效果。因为是铁制容器自身发热, 所有热转化率特别高, 最高可达到95%。

根据该原理同时结合反应釜自身的结构特点, 明确了反应釜釜体可以实现电磁加热的机理。将电磁线圈规则地缠绕在反应釜釜体的外围, 线圈通高频交变电流产生高频交变磁场, 该磁场将反应釜釜体包覆其中。磁场的高频变化, 当磁场磁力线通过釜体时, 会在金属体内产生无数的小旋涡流, 使釜体本身自行高速发热, 从而起到加热的效果。

3.2 磁力驱动反应釜材料的选择

为了满足磁力驱动反应釜釜体的电磁加热要求, 研发人员对反应釜各部件的用材进行了全新的选择, 包括釜体材料、保温材料、电磁线圈材料以及磁场屏蔽材料等。

3.2.1 釜体材料的选择

釜体材料的选择:常规的小型反应釜釜体为达到耐腐蚀以及美观等要求, 一般都采用奥氏体不锈钢锻件的结构。奥氏体不锈钢属于非导磁性材料, 而电磁加热要求受热体必须为导磁性材料。为解决这一问题, 满足电磁加热的需要, 研发人员对釜体的材料重新做了选择。将奥氏体不锈钢锻件结构改为低碳合金钢锻件堆焊不锈钢结构。这样低碳钢的釜体具有导磁性能够满足电磁加热的要求, 而不锈钢的表层也能满足试验室反应清洁耐腐蚀的要求。

3.2.2 外部保温材料的选择

为了更好的配合电磁加热的需要, 研发人员对保温材料也做出了优化选择。常规反应釜选用的是石棉绒, 此种材料是一种硅酸盐类矿物纤维, 作为一种耐火保温材料, 它的热量散失比较严重, 耐火效果还行, 保温效果较差。为了得到更好的保温效果, 采用了一体成型的陶瓷纤维模块做保温层, 降低了反应过程中的热量散失, 也为反应釜温度的精度控制提供了保障。

3.2.3 电磁加热系统材料的选择

研发人员综合考虑了线圈承受电流的大小、耐热性能、使用寿命等因素。为了避免温度变化过程中电磁场对反应釜其他零部件产生热影响, 对电磁线圈外部电磁场进行了屏蔽处理。经过多次试验比较, 最终选择了合适的材料。

3.3 设备设计参数选择

反应釜在设计之前, 根据调研返回的信息, 该类设备在企业和院校以中小型实验反应釜居多, 选定以下参数进行相关设计研发:反应釜容积:2升设计压力:12.5MPa设计温度:350℃

电磁加热功率:2.5KW电磁频率:20~30KHz

以上技术指标系常规实验室用反应釜的基本参数, 同时电磁加热方式的创新性引入, 极大地提高了反应釜的升温速度, 缩短了升温时间, 提高了反应效率, 提高了效益。同时也解决了困扰常规加热方式伴随的温控延迟现象, 保证了反应温度控制的精度。

3.4 设备设计制造

反应釜釜体依据GB150-2011《钢制压力容器》等国家标准对壁厚进行设计。采用低合金钢锻件材料, 既保证压力容器的承压要求, 又保证其自身具有导磁性能以满足电磁加热需要, 同时对其表面进行堆焊防腐处理, 也进行了耐高温的工艺处理。反应釜釜盖密封面设计采用高压反应釜密封结构, 同时提高加工精度等级, 对形状与位置公差提高一级 (相对普通要求) 。

电磁线圈的制作经过反复的试验论证, 对线圈的长度、圈数进行优化设计, 最终达到最优的加热效果。同时为防止电磁场的辐射散失, 采用了特殊材料对电磁线圈的外磁场进行了有效屏蔽。

3.5 控制器的优化

常规反应釜的控制系统只是简单的配备了压力、温度、转速等功能的显示要求, 但对温度、压力控制的实时性做的并不好。根据电磁加热对温度的精度控制要求, 重新参照国外反应釜的控制器, 设计研制了一套可视控制系统。该系统采用32位高性能RAM芯片组成实验室反应釜监控系统, 其输入输出接口与功能更加丰富, 可根据用户需求进行选择匹配。而且可以与电脑联接进行实时控制和数据分析。不仅可以对温度进行精确控制, 在升温加热的过程还可以绘制温升曲线, 通过电脑程序来设置升温速率。可以实现全自动的操作方法, 可在多次定量分析中提高自动化操作流程, 更加便于定量、定性的分析。

3.6 试运行效果比对分析

设备制造完毕, 对试制产品进行全面的检验和试验, 包括压力试验、密封性能试验、传动系统试验、电磁加热效果试验等。在工况相同条件下, 同时启动常规磁力驱动反应釜以及电磁加热磁力驱动反应釜, 以升温到320℃为基准, 共进行了60次的试验比对分析。

试验数据对比见下表:

试验结果显示:电磁加热反应釜相比传统电阻加热方式, 单位时间内的加热效率提高了60%, 加热时间缩短一倍以上。温度的控制精度可以确保在±1℃的范围内。

4 结论

经实验证明, 该电磁加热实验室磁力驱动反应釜的设计达到了预期效果, 高效节能, 保温效果好, 温度控制精确, 控制器智能化程度高, 经过在部分企业一年多的实际应用, 反映效果好, 达到国际、国内领先水平。

参考文献

[1]GB/T30098-2013.实验室用磁力驱动反应釜[Z].

篇4：引力和电磁力的对话

到了20世纪70年代，理论物理学家基本上达成了共识，那就是要想从微观层面揭示出引力的本质，必须将相对论和物理学的另一大理论——量子理论融合，即所谓的引力的量子化。这一努力经过20余年的探索最终以失败告终。到了20世纪90年代中期，霍金不无感慨地说，引力和量子理论是水和油一样不相融的。

但是，由于引力的本质困惑人类太久，揭开它的本质和人类跨越到第三类文明有最直接的关系，所以，年轻一代的理论物理学家仍然勇敢上阵。20世纪80年代初，美国普林斯顿大学的青年理论物理学家爱德华·威腾引入弦理论去揭示引力的本质，给引力理论带来一线希望。但是，更深入的探索却又一次令人失望，虽然从理论上看，弦理论可以解释引力，但是，它却无法告诉人类如何从技术上实现克服引力。所以，喧闹一时的弦理论到了21世纪已经基本上被画上了句号。

20世纪90年代和引力理论相关的发现就是宇宙的暗物质与暗能量。据测算，人类可视的物质只占宇宙总质量的6％，其余的都是暗物质与暗能量。要想揭示引力的本质，又一个无法回避的问题就是引力和暗物质、暗能量之间的关系。而要回答这个问题，比揭示引力的本质更加困难。

说到这里，人们自然会问，引力为什么如此复杂?而电磁力却早在麦克斯韦尔时代就被揭示出来?答案很简单，电磁力的作用中介是光子，而光子不带电荷，它一旦从电子中被发射出来，就不会再与电荷发生电耦合，光子和光子之间也不会发生电耦合，所以描述电磁作用的方程很简单，数学上容易处理。

但是，引力就不同了，引力作用于任何有质量的物质，目前已知的所有粒子都会与引力发生作用，即耦合。从量子理论的处理方法出发去描述引力相互作用，一个难以逾越的数学障碍出现了，由于引力和所有的粒子都发生耦合，当用拉格朗日函数处理引力场时，如何找到与引力发生作用的所有耦合常数，并将它们添加到方程中，这在数学上是无法处理的。

在标准单位制中，万有引力常数的量纲是个负值，为一2，当用量子理论方法积分拉氏函数时，这个函数是发散的，意味着这个函数描述的相互作用量无穷大。当增加新的与引力耦合的作用项时，耦合常数是量纲更是负值，为-3、-4、-5，含这样的项的函数积分时更是高阶无穷大。

所以，用经典的量子理论方法处理引力显出是失败的。这是为什么呢?原因很简单，由于引力相互作用的中介物质——引力子本身有质量，它不但会和场源的物质作用，并且，引力子之间也会相互作用。面对如此复杂的一个作用过程，采用移植从描述电磁相互作用而发展起来的量子理论，显然是不正确的。

那么，是否意味着对引力本质的揭示又走入了绝境呢?事情还没有如此糟糕。21世纪的物理学家已经深刻认识到如果没有新的物理实验作支撑，仅靠旧的概念和旧理论的简单组合，是永远不可能揭示出引力本质的。

前几年发射升空的阿尔法磁谱仪就是希望从实验上找到可能与引力相关的宇宙暗物质的信息。

目前，摆在人类面前的基本情况是，引力的本质远比过去想象的复杂。与引力最直接相关的，质量的来源这些最根本的问题依然没有突破。虽然早在20世纪60年代英国物理学家希格斯就预言了真空中的量子起伏伴随一种新粒子——希格斯子，它赋予任何粒子质量。这个理论看似美好，但从很大程度上看，是一种惯性思维，真空中的量子涨落为什么会给粒子赋予质量?问题依然没有答案。

由于引力和电磁力都是相互作用的，并且它们二者的宏观作用形式相近，所以，曾吸引20世纪多位顶级理论物理学家为二者的统一倾注心血。从爱因斯坦、爱丁顿到韦尔，但问题一直没有答案。那时的物理学家都试图增加空间的维数包含引力作用，如有采用五维空间的，被称为卡鲁查一克莱因理论，也有采用十二维空间的等等。由于引力和已知的所有粒子都发生相互作用，所以，描述引力的空间一定是维数极高的，我认为至少是应该超过三十维的空间，只有这样大的一个对称群才能包容下引力相互作用。

20世纪电磁相互作用的量子化处理的成功源于电磁相互作用的媒介——光子的基本性质。它不带电荷，正是这一性质，使得电磁相互作用在数学上容易处理。相比之下，引力就大相径庭了，引力和已知所有的粒子作用，所以引力比起电磁力是一种更普遍的相互作用，电磁力只是个特例。并且引力还涉及宇宙暗物质，这就更使得引力的本质变得复杂起来。

从人类物理学发展史可以看出，虽然电磁相互作用直到18世纪才由法拉第从实验上揭示，到19世纪中叶由麦克斯韦尔在理论上完善，晚于牛顿提出万有引力理论近一个世纪，但是，电磁相互作用却是人类最早完整揭示本质，并能成功应用于人类生活各个角落的相互作用。

相比之下，引力就逊色多了，虽然已经过了四个世纪，引力的本质仍旧是一团迷雾。

现在回过头去看20世纪60年代后引力的探索历程，之所以失败，源于在没有任何关于引力的新的实验结果的基础上，寄希望于原有概念、理论的简单组合，这种组合没有实验基础，自然而然不会成功。

21世纪的物理学家们已经清醒了许多，更多地寄希望于发现与引力相关的新的实验现象，宇宙暗物质的发现就是一个良好的开端。

相信随着新的实验技术的出现，在21世纪，将会发现更多与引力相关的新的实验现象，人类会一步一步接近引力的本源。

(李笑宇插图)

篇5：电磁铁的磁力(一)的教学设计

（一）》的教学设计

一、教学目标

1、知道电磁铁的磁力是可以改变的。

2、理解电磁铁的磁力大小与线圈的圈数有关，圈数少磁力小，圈数多磁力大。

3、在教师的指导下，学会用控制变量法设计对比实验。

4、能够大胆的想象，又有根据的假设。

5、能够以严谨的科学态度做检验假设的实验。

二、教学重难点

教学重点：知道电磁铁的磁力大小与线圈的圈数有关，圈数少磁力小，圈数多磁力大。

教学难点：用控制变量法检验线圈圈数对磁力大小影响。

三、教学准备

教师准备：（每组）电池1节、1根长约2米的导线、铁钉一个、1包大头针、记录单一张。

四、教学过程

(一)对比导入，引出问题

1．教师出示制作好的电磁铁提问：上节课我们已经认识了电磁铁，谁来说说电磁铁是由那几部分构成的？（铁芯、线圈、电流）

2．教师提问：你们上节课使用电磁铁吸起了多少个大头针？（各小组汇报个数。）3．（出示图片：电磁起重机）教师讲解：这是电磁起重机（也是一个电磁铁），你们看，它能吸引几吨重的钢铁呢！

4．教师提问：电磁起重机为什么会有这么大的磁力，而我们自制的电磁铁最多的小组也只吸起了几枚大头针呢？电磁铁的磁力大小究竟跟什么有关呢？今天我们就来研究电磁铁的磁力（板书课题）。(二)学生大胆猜想，充分假设

1．教师谈话：电磁铁的磁力大小与哪些因素有关呢？科学家们在进行科学研究时，第一步就是要对研究的问题作出假设（板书：作出假设）。接下来就请我们同学也来猜一猜，你觉得影响电磁铁的磁力大小的因素究竟有哪些？

（出示提醒：先想一想电磁铁的构成、电磁铁的磁性是怎样产生的；然后再来做出我们的假设）2．学生小组讨论，作出假设。3．小组汇报。

（请1个小组先来汇报，注意引导（如：说到跟线圈的多少有关，教师可以提问：线圈多磁力就越大；线圈少就磁力就越小；说说你们猜测的理由）

4.学生汇报时，老师进行板书（把学生的各种假设板书出来）

5．教师提问：刚才各个小组都作出了自己的假设，那么在这些因素中，你们小组觉得什么因素可能是影响电磁铁磁力大小最大的因素呢？（学生选择小组认为影响最大的因素）(三)学生设计实验，验证假设

1．教师谈话：这些只是我们的假设，为了验证我们的假设，我们必须实验。

2．教师确定研究主题：同学们提出了很多假设，因为时间关系，这堂课我们先重点研究线圈圈数与电磁铁磁力大小的关系。3．学生制定实验方案。4．小组交流实验方案。

5.教师提问：你觉得在这个实验中要改变的条件是什么？（线圈的圈数）如何改变线圈的圈数？绕多少圈合适？实验做几次？为什么？每次应该相差多少圈呢（一般要相差20圈及以上，效果才比较明显）？先做哪个实验？一个实验完成后需要把线圈拆下来么？如果有的小组最高100圈绕不下时怎么办？（再绕一层，同方向绕））6.教师提问：刚才我们讨论了实验中需要改变的条件，为了实验的公平，应当控制不变的条件有哪些？如何控制这些条件不变呢？

7．小组修改完善研究计划（教师温馨提示：A.不要长时间接通电池；B.吸过的大头针放在一边，不要再吸；C.为了数据更加科学准确，每个圈数都要进行多次实验（出示实验记录表：比如第一次绕20圈，可以进行三次实验，记录好三次的数据，然后取平均数；第二次40圈，同样如此；第三次也是，并且根据磁力大小进行排序。)8．分发实验材料，小组开始实验并填写实验记录单。9.小组汇报交流：

（1）先出示3—4个小组的记录表：观察数据（2）说一说：从这些数据中你发现了什么？

（线圈圈数多，电磁铁的磁力大；线圈圈数少，电磁铁的磁力小）（3）其他小组呢？你们的数据能说明什么问题？

（4）小结：通过实验我们发现：电磁铁的磁力大小确实与线圈的圈数有关，圈数越多，磁力越大；圈数越少，磁力越小。

五、总结延伸、生活运用

1．今天这节课，我们通过“作出假设——制订计划——实验验证”这样的步骤研究了电磁铁的磁力大小与线圈的圈数之间的关系。刚才我们各小组还提出了其他的假设，这些因素是否真的也会影响电磁铁的磁力大小呢？下节课我们将继续进行研究！2．（再次出示电磁起重机的图片）你觉得这个电磁起重机为什么磁力会这么大呢？（学生发言）课后可以去查查资料，看看你的解释是否有道理。

六、板书设计：

电磁铁的磁力

（一）作出假设：电磁铁的磁力与线圈的多少有关

篇6：《电磁铁的磁力》教学反思

一、科学概念的定位

教参要达成的科学概念是：

1、电磁铁的磁力大小与电流强弱有关：电流强则磁力大，电流弱则磁力小。

2、电磁铁的磁力大小与线圈粗细、长短，铁芯粗细、长短等因素有一定关系。”考虑到要设计强磁力电磁铁的原因，我在预设中增加了“

3、线圈与铁芯的距离近，电磁铁的磁力就强，线圈与铁芯的距离远，电磁铁的磁力就弱。

从上课的效果来看，这一概念的增加显然要求过高，目标难以达成。虽然教师在设计中通过反问学生“实验中还有哪些要注意的吗？”试图引出“线圈缠绕应从钉帽开始”，“线圈数尽可能多绕”，“用铁芯去吸大头针”及在分组实验中指导分别从“用铁芯顶端靠近大头针去吸”和“用铁芯斜着插入大头针去吸”，但由于实验要求过高，学生既不能考虑到这些细节，操作也难达到这个要求。以至从汇报的实验数据上不能得出结论。

二、实验材料的准备

教材运用四张图片提供四个实验材料，其中用线圈管验证“线圈粗细与电磁力大小的关系”学生不能理解其目的。因为图中线圈管除了粗细不同外，还有材料的不同。在准备中虽然教师替换了这一材料，用不同口径的自来水管解决了这一问题，但本班学生在上一课的猜测中压根儿没考虑这一因素，还是不能明确这组实验的意图。从上课情况看，启发学生明确实验材料的意图耗时过多，加之实验操作难度过大，所以这一组实验不应该按教材来教，如删去这组实验，课堂不但能节省时间，课堂教学效果将会更好。

三、对学生的实验指导

本课的四个实验之前，老师自己作了操作，发现了实验中容易出问题的几个地方，在课中运用“实验中你将如何保持条件不变？”，“各小组线圈数绕多少较合适？”，“做电磁力大小与线圈粗细关系时，从哪个线圈管开始绕线较好呢？为什么？”，“做电磁力大小与铁芯长短关系时，从哪个铁芯开始绕线较好？为什么？”这一系列反问虽然各细节都考虑到了，但学生不能理解这么到位，导至教师讲解过多，耗去了不少的时间。要解决这一矛盾，我想是否可将线圈缠绕放在课前的教师实验准备中去。这既处理了指导过细，费时过多的情况，同时也能使学生明确“导线的长短粗细及材料”也必须保持不变这一在实验室“只用一根导线”的思维定势。

四、对学生数据的引导

对“电流强弱对电磁力大小的关系”这个实验，根据数据得出“电磁铁的磁力大小与电流强弱有关：电流强则磁力大，电流弱则磁力小。”这一结论是一目了然的，但对于“电磁铁的磁力大小与线圈粗细、长短，铁芯粗细、长短等因素有一定关系”这一科学概念建构不能到位。在做“线圈粗细”这一实验时，学生对于细节把握不够，导至认为与电磁力的大小没有关系，因为每个小组得到平均摊吸起的大头针个数均为0。分析原因有两个，一是对吸到一半但没吸上来的大头针忽略不计造成的，还有可能是在通电之前没插上铁芯，导至电路短路。“铁芯粗细”，“铁芯的长短”两组实验中数据有得“铁芯短，电磁力强”，有的“铁心短，电磁力弱”；有的“铁芯粗，电磁力强”，有的“铁芯细，电磁力强”。面且数据反差大，学生已产生了矛盾的冲突，但教师自身对各要素的匹配问题科学概念把握不准，以致引导教学目标备注不足，引导不到位。

五、材料发放的层次

平时教学中，学生的好动心理对于教师的教学时是个难点，所以很多教师在计划讨论结束时，才把实验材料发放到学生手上才开始实验。在本课中，担心学生“保持不变因素”考虑不周，故而把材料与研究计划开并发放，以便根据材料来制定计划，然而事与原违，学生并没有理解教师的良苦用心，急于动手，并没有合作制定研究计划。“好动是学生的天性”一点也不错。在科学实验中，学生好动，急于去动手，是进行科学实验活动中每个教师不可避免的问题。所以在实验中材料的发放可以多层次，有的一次到位，有的分几次到位。比方本课中，电池可以在制定计划后发放，学生就不会急于去动手，而忘记合作制定研究计划。

篇7：《电磁铁的磁力》教学反思

公开课需要试教，也需要试讲。

21日，我试教了两个班，获得了各种体会。教学设计当中没有想到的问题，试教的时候碰到了就马上解决，那么真正上起公开课来就不会手忙脚乱、挫败感十足了。

609班的试教体会如下：

1、电磁铁的基本结构可不可以从PPT腾到板书上，使学生更容易有逻辑地从电池、铁芯、线圈三个角度上去分析哪些因素跟电磁铁的磁力有关；

2、让学生作出假设的时间要设计得再紧凑一些，教师语言切忌重复累赘，有可能的话，把每一句话都写下来，磨一磨，准确地去表达。这样就可以给学生充足的时间去制定计划和实施计划了。

3、教师和同学探讨实验的注意点，是不是可以在学生动手实验之前，用PPT温馨提示的方式打出，因此制作一张温馨提示PPT是很必要的。内容是“线圈圈数要变化，变化的差距大一些；电路是短路的，不能长时间连接电路”；

4、动手实验的时候，是不是可以不用电池盒，事实证明，不用电池盒，电路当中的阻力变小，电流变大，电磁铁的磁力更强了；

5、有些小组遇到线圈绕太少，不能吸引大头针的情况，就手足无措了。但事实上，能吸引0个大头针就是实验结果，记录下来，再增加线圈圈数即可；

6、研究电磁铁磁力和线圈圈数的活动记录可以设计得开放一些，然后学生多做几组尝试。但是为了从数据的科学性和时间上去考虑，每组重复实验做2次为好；

在605班上课之前，我及时地进行了反思和调整，但是同样的，这样次试教也让我有所收获。

605班的`试教体会如下：

1、好的板书设计很重要，怎样突出本节课的重难点。

2、并不需要全班控制统一的线圈和铁芯规格，只需要每个实验小组内保持其他条件不变，只改变线圈圈数即可，这样做实验还是符合公平性的。

是的，有反思才能有进步。试教和及时调整，让我收获很多，也潜移默化地提高了我的教学技能。

公开课前的试讲，也很重要，也很必要。多次试讲，能让老师对知识点和各个环节的设计更熟悉，那么真正上起课来就会信心十足了。试讲让我明确了，哪些地方要切换PPT，哪些地方要使用实物投影，哪些地方要落笔写板书。试讲结束后，罗列出课前准备和上课注意点，让我在实验准备之前和上课的过程可以更从容不迫，自信满满。

22日公开课，我对自己的表现还是觉得有许多的不足之处。例如，前面作出假设的部分，语言还是太琐碎，不够准确精炼。由于602班的学生平时较少接触实验，所以他们做起实验来欠积极，总有一种慢热的感觉。这就要求教师要给他们更多充足的时间去探究、去完成活动记录。如果能在先前考虑到学生实际，教师就能妥善地调整实验时间，前面内容引导得紧凑一些，后面给予学生更多的长时探究。对于本节课，在设计上的亮点之处，可以多作一些文章，直白的表示反而凸显不出亮点。这就要求教师要多动动脑筋，怎样用语言、肢体等，把亮点环节设计得更有趣，更吸引人、更能调动学生积极性，并且更加爱好科学课的学习。强力电磁铁是本节课的法宝仪器，那是不是在视频呈现它磁力的同时，让在座的同学上来试一试，两个同学拔一下河，感受强力电磁铁的磁力。

这节课还有许多需要去琢磨的地方，思考如何更好地利用实验器材，保证学生的长时探究，同时又充满趣味性。

篇8：电磁力与引力的统一实验

1 物质的引力现象

将大小不一的纸片、树叶、石头等物体 (质量) 用细线悬挂起来, 然后用各种物体去接近悬挂物体, 他们之间都会产生吸引现象, 只是这些物体之间的质量和材质的不同, 引力的大小也不同。

2 电磁力现象

用用毛皮摩擦后的塑料棒 (带电) 先去接触上述各种悬挂的物体, 悬挂物体都被塑料棒吸引, 即引力。塑料棒再次接近上述各种悬挂物体, 其中的物体质量较大和较小的悬挂物被带电的塑料棒吸引, 表现为相互吸引的引力。质量在中间的悬挂物体与塑料棒显现为排斥, 即相互排斥力。当排斥力维持一定时间后, 悬挂物体又被带电的塑料棒吸引, 它们则变为相互吸引[2,3]。

用多只同毛皮摩擦后的塑料棒 (带电) , 从多个方向去接近上述悬挂物体, 悬挂物体都会被距离最近的塑料棒吸引, 而且悬挂物体会随带电的塑料棒做同步的摇摆运动。

在做上述实验的同时, 用毫伏电压表或示波仪, 测量任何物体的两点, 都有电压, 除纯金属外, 任何物体的两点都有电压和电阻, 不同时刻只是电压和电阻数值不一样。

将各种物质用细线悬挂在塑料桶内部, 悬挂物体保持自由垂直状态, 用塑料棒同毛皮摩擦后 (带电) 的塑料棒接触悬挂的物体, 悬挂物体立即被塑料棒吸引, 这样使悬挂的物体带上与塑料棒相同的电性, 之后悬挂物和塑料棒就表现为相互排斥的状态, 当塑料棒处于静止状态, 悬挂的物体也保持相对静止。此时, 将石头、香蕉、纸盒等物体在塑料桶外接近悬挂物体, 发现悬挂物体会被吸引, 产生引力现象。再将另一根与毛皮摩擦后塑料棒 (带电) , 接近塑料桶中的悬挂物, 表现为相互排斥。

3 物质的排斥现象

用上述实验装置做实验的时, 发现塑料桶外的物体与塑料桶内悬挂的带电物体之间产生的排斥力现象。将各种物质悬挂塑料桶中, 用塑料棒同毛皮摩擦后 (带电) , 塑料棒直接接触悬挂的物体, 会使悬挂的物体存在与塑料棒相同的电。由于同性相斥, 当塑料笔处于静止状态, 塑料桶中悬挂的物体受到排斥力的作用静止不动, 此时, 用小石头、纸片、玻璃杯等物体在桶外接近塑料桶中的悬挂物体, 始终表现为排斥现象。质量和电压之比与电磁力的关系, 经过多次试验, 得到的结果是相同的见图1。

4 工业生产中电磁力与引力的统一

工业锅炉中的电除尘装置和电捕装置是用来捕获烟囱气体中的尘埃物质。在高压直流阴、阳两级板上收集到的物质, 按照常规应该是不同的物质, 但经过实验证明, 它们的物质是相同的[3,4,5]。静电除尘的工作原理为, 现有的理论是这样解释静电除尘装置尾气进入正、负极之间的电场中, 颗粒物质获得电或电离, 然后颗粒向相反极板运动, 在极板上获相反的电荷中和[6]。根据上述实验得出以下几点。

1) 由于颗粒物在高温 (110℃~150℃) 是没有黏性的, 那么获电后由于重力的作用会自动掉入收集槽中, 实质上振打后各种颗粒依然黏在极板上。

2) 同一种颗粒物质在同一种电场中只能带一种电荷, 那么正负两极板上的物质各不相同, 事实人们看到的两极板上的物质是一模一样, 沒有区别的现象。

3) 在停电后, 两极板上的物质应掉到收集槽中, 再加上多天的振打, 极板上应沒有物质, 实验证明, 停止振打后, 极板上还存在像雪花一样厚厚地物质黏在极板上。

4) 发电机的中心点接地或悬空不接地, 变压器的中心点接地或不接地, 在三相负载不平衡时, 大地或空气就是传递电力的导线。

5) 现代电工技术表明, 任何物体都能导电, 都能成为导体, 只是电压等级不同。实验表明, 不同物体万有引力的大小是不等的。

5 10 k V电压会吸地面上的灰尘

对35 k V的电炉变压器进行试验时, 发现用500 V的橡胶导线接电压引入电压互感器, 导线沒有悬空, 放在有灰尘的地面上, 35 k V的变压器做耐压实验, 给导线通电 (放在地上) 时, 发现地上的各种灰尘 (碳粉、石灰粉等) 向导线聚集、移动, 而且电压的升高, 向导线移动、聚集的各种尘埃物质也越来越多。具有阴极射线管 (显像管) 的设备, 在一开机时刻, 显像面会吸引塑料、草、粉尘、细金属等任何物质。

用万用表或示波器测量任何物质两点, 都有电压、电阻和频率, 表笔短路时读数为0, 说明任何物质均带电。

6 数学证明分析

由图2可知,

从力学角度分析, 用同一根塑料棒与毛皮摩擦产生电磁力 (与其他物体摩擦产生的电磁力小, 摩擦即产生电磁力, 又产生热量) 。在同一实验装置中、同一条件下, 可以看出, 与毛皮摩擦过的塑料棒 (物体) 吸引片状物体偏离垂线的角度θ2, 见图3。

由图3可知,

只有黑洞中的电磁力等于引力F电=F引。

7 结束语

通过上述实验和数学分析证明电磁力就是引力, 引力也是电磁力, 只是大小不同, 即电磁力与引力的统一, 电磁力分为电斥力和电引力, 是作用力与反作用力的关系。

摘要：文章用最简单、最常见的仪器测量物体的任何两点都存在电压、电阻、频率, 发现物体在常态下是带电的, 通过从力学角度分析、数学推导、工业锅炉中的静电除尘装置和电捕装置等大量物理实验证明了电磁力与引力的统一, 电磁力与引力是同一种力, 电磁力是万有引力, 万有引力也是电磁力, 只是大小不同。

关键词：静电除尘,电磁力,万有引力

参考文献

[1]严导淦.物理学[M].北京:高等教育出版社, 1982.

[2]芜湖机械学校.电机原理及应用[M].北京:机械工业出版社, 1979.

[3]梁灿彬.电磁学[M].北京:高等教育出版社, 2013.

[4]厉光烈, 阮建红.走向统一的自然力强力、弱力和电磁力的大统一 (Ⅰ) [J].现代物理知识, 2014 (2) :33-34.

[5]厉光烈, 阮建红.走向统一的自然力强力、弱力和电磁力的大统一 (Ⅲ) [J].现代物理知识, 2014 (4) :96-98.

篇9：《电磁铁的磁力(一)》教学建议

（一）》教学建议

出示电磁起重机正在吸废钢铁的图片，简单介绍电磁起重机的用途、优点。然后提出问题，这个电磁铁的磁力真够大的，你们想制造一个大磁力电磁铁吗？那就要知道电磁铁磁力大小与哪些因素有关。今天，我们就来共同研究这个问题。

1.作出我们的假设。

（1）老师要清楚影响电磁铁磁力的因素，才能自如地指导学生假设、实验和汇报。经研究，影响电磁铁磁力大小的因素主要有四个，一是缠绕在铁芯上线圈的圈数，二是线圈中电流的强度，三是缠绕的线圈与铁芯的距离，四是铁芯的大小形状。

线圈的圈数多，电流的强度强，线圈与铁芯的距离近，电磁铁的磁力就强，反之，线圈的圈数少，电流的强度弱，线圈与铁芯的距离远，电磁铁的磁力就弱。铁芯的情况复杂一些，铁芯的长短粗细要与线圈多少、电流大小相匹配，在线圈多少、电流大小与铁芯基本相匹配的情况下，铁芯细一点粗一点没有多大影响。这时只靠加大铁芯提高电磁铁的磁力是不可能的。也就是说，不是铁芯越粗越好，也不是铁芯越细越好。另外，马蹄形铁芯比条形铁芯磁力强，因为它把南北极的磁力集中在一起了。

（2）电磁铁由线圈、铁芯组成，产生磁性必须通电，所以电磁铁的磁力大小应该与这三个方面有关。在学生作假设时，教师要适时地引导他们从电磁铁的组成和产生磁力的条件上去想，这是一个有根据、有顺序的思路，应启发学生按这种思路去作假设，或者把已作出的假设整理成这样的思路。

教科书说明中已经列出9种学生可能找出的因素，实际教学中学生不一定说得出这些，也可能还会有其他假设。我们的教学目标不是找得越多就越好，而是学生是否充分动脑了，假设是否有一定的理由。

（3）汇报交流假设和假设的理由，是一个整理假设的过程。要把学生的假设都简要板书出来，然后汇总成全班的假设，全班汇总的假设只简要写出因素名称就可以了。

（4）推测找出影响最大的因素，学生不同的看法都要认可。

（5）教科书上的假设表，一般是小组讨论时填写，也可以根据学生实际在全班汇总后填写。

2.设计实验，检验假设。

（1）在分组制订研究计划前，要先强调明确思考的两个问题，需要改变的条件是哪一个？应当控制不变的条件是哪些？怎样改变或者不改变它们？ 可以对教科书上的研究计划表进行一些说明。比如怎样确定计划绕的圈数，而绕多少圈不是随便写的，要考虑一些因素。比如我们希望圈数差别大一点，但限制的因素是导线有多长。然后分组讨论和填写研究计划表。

（2）交流小组研究计划时，教师要因势利导，提示绕制三个电磁铁，导线长度不要变，只是绕在铁钉上的线圈圈数改变就行了，这样保持了导线长度，便于下次使用。同时也能够保持电流大小始终不变，因为导线短，电流大些，导线长了电流会小些。线圈圈数变化可以全班商量，统一定个数，比如20圈、60圈、100圈。

（3）实施小组研究计划。为了节约材料，可以用一根长导线先后绕制三个不同圈数的电磁铁。为了节约时间，可以先绕制好这样的三个电磁铁，用的导线都一样长。

测量磁力大小可以用小号的大头针。这样，磁力大小容易从吸起大头针个数上区别开。

篇10：电磁铁的磁力课件

线圈圈数

电流的强度(电池的多少)

铁芯的大小形状

导线的长度

六、教学反思

篇11：电磁铁的磁力说课稿

课前，我布置了3个前置性作业：

前置学习：

1.上节课，我们对影响电磁铁磁力大小的因素进行了大胆的假设。我们猜测哪些因素可能与电磁铁的磁力大小有关？ 、、、。

2.通过实验我们已经知道电磁铁的磁力大小与 有关，关系是

3．以小组为单位，选定一个研究问题，制定好你们的实验计划。

前两个前置性作业我设计是以口头回答来呈现，也起到一个复习作用，同时也减轻学生们的课外负担；第三个实验计划的`制定要求学生以书面形式呈现，并填写在作业本上。这样设计的用意在于节省出课堂时间，把更多的时间放在实验操作与数据的分析上。这3个前置性作业都是为之后的课堂学习做准备的，也是我们学校小班化教学的一种尝试。

本课的实验对于六年级学生来说是简单的。在学生自主研究的基础上，让大部分或者全部学生进行充分交流，展示自己的实验成果。我觉得这是小班化教学与大班化教学的不同之处之一。但现实情况是，大班额的情况下，我也只能选取代表性的几个小组，让其展示自己的研究成果，研究同一问题的小组可以补充，其余小组共享他们的成果。这样既可以使学生获得成功的喜悦，满足心理的需要，又可以使学生之间取长补短，共同提高。

教材中最后是组织学生利用共同研究出的结论去制作一个磁力较强的电磁铁，目的在于能让学生把本课所研究的几中增强电磁铁磁力的方法合起来用，制作一个磁力更强的电磁铁。对于六年级的学生而言，这一层次的理解绝大多数的学生都能想到。于是设计一个强磁力电磁铁这一环节我安排在应用拓展中。

大胆猜想是科学探究的前提。当学生提出问题，再引导他们猜测与假设，这都是学生的直觉思维活动。猜想的基础是学生已有的知识和经验。训练学生运用知识想办法解决面临的问题，要充分展开思考。否则仓促、盲目地做实验，多方面的教育目标都难以实现。

发现新问题，研究新问题，这正是科学教育所期望的。学生主动提出问题，大胆假设，拟订探究方案，自己支配材料，想怎么研究就怎么研究，想研究什么就研究什么，这可以充分体现学生的个性，可以自由地张开思维的翅膀去充分地想象，从而可以使学生的思维变得流畅而独特。

篇12：电磁力致动的新型软体机器人

软体机器人主要由柔软、弹性的和灵活的聚合物制成, 因而具有无限自由度和连续变形能力, 这将导致超冗余结构空间里, 机器人尖端可以获得无限的机器人形状和结构下三维工作区的每一点。软体机器人相对于硬超冗余机器人的额外优点在于它们对压力只产生很小的阻抗, 因此可以顺应障碍物。它们可以携带柔软和脆弱的有效载荷却不产生伤害。大张力变形下, 它们紧握通过的开口要比正常的尺寸小得多。工作时通过自身主动变形或被动变形, 使其呈现无限种构型, 能够灵巧地钻入各种狭小空间, 解决了传统机器人运动自由度低和尺寸无法变化的技术难题[1]。

软体机器人的应用目前还处于空白阶段, 可是它在医疗检测、抢险救灾、间谍侦查等众多高精尖领域将具有广阔的应用前景。例如, 可将软体机器人做成内窥镜, 会随口腔、排泄腔的入口大小来变化, 减少侵入性痛苦, 而且, 若采用能够生物分解的材料, 当软体机器人完成任务后可被人体分解吸收[2];美国国防部高级研究计划署计划利用软体机器人作为战略变色龙机器人, 悄然潜入指定环境, 然后伪装起来实施侦察。

1 致动器

软体机器人主要包括表皮结构、致动器和驱动控制系统三个部分, 其中致动器是促发运动的关键部件, 也是软体机器人设计中的瓶颈问题。由于软体机器人结构和运动形式的特殊性, 对致动器提出了更高的要求, 如惯量、灵活性、刚度可变以及功率消耗等[2]。软体机器人的有限、可控自由度由致动器支配。刚性机器人有一个执行机构, 通常是针对每个关节的一个电动马达。软体机器人致动器一般集成或者分布到整个结构里。通常, 致动器构成了大部分的结构。这种双重致动器或者结构功能防止许多传统硬致动器的使用, 比如软体机器人里的电机。致动器激活产生的变形是由结构里致动机构, 形变和致动器的大小、形状和位置定义的。软机器人归为一类系统, 被称为“欠驱动”, 因为不像硬机器人, 不是每一个自由度都有一个致动器。其他自由度可能被致动器影响, 但很多自由度是不可控的[3~5]。

国内外对于软体机器人致动器的研究主要致力于各类不同致动机理的开发[1]。哈佛大学化学家怀特赛德斯团队所研制软体机器人的致动机理是通过向模型内部的空腔通道通入空气使模型肢体模拟软体生物肌体的伸缩而运动;维吉尼亚理工学院RoMeLa实验室HONG教授研制的仿阿米巴虫机器人ChiMERA是一种利用化学反应驱动的全皮肤运动机器人, 通过外部皮肤内翻、内部皮肤外翻以实现运动[6,7];Tufts大学Barry A.Trimmer实验室研制的仿毛虫软体机器人[8]是由SMA弹簧致动器进行驱动的[8~10];还有就是EAP致动机理, 通过不同方向排列的人造肌肉纤维分别收缩而使机器人产生运动[11~15]。

以上基本都集中于致动器本身的研究, 而忽略了表皮结构与致动器耦合影响的研究。软体机器人的致动是由表皮和致动器耦合作用产生的, 忽视表皮的作用而只考虑致动器本身对于致动机理的研究缺乏科学性。并且, 从微流控致动到人造肌肉致动, 虽然在控制灵活性和控制精度方面都不断的有所提高, 但是都未解决软体机器人尾端控制的问题[16~20]。

2 新型结构

基于现有研究, 本文提出一种电磁力致动的新型软体机器人。该仿蚕形软体机器人如图1所示, 其主要由表皮结构、致动器和控制驱动电路组成。表皮结构是由具有伸缩变形能力的聚合物弹性体材料制成的, 其内部对称布置有4组由若干个极性相对、串联排列的柔性电磁铁单元组成的致动器, 利用相邻柔性电磁铁单元通电时相互产生的排斥力使仿蚕形软体机器人表皮产生变形、断电时排斥力消失而表皮弹性材料收缩的原理来实现蚕体运动。按照一定的序列分别控制每个电磁铁通电的电流或电压就可实现仿蚕形软体机器人运动的相应控制。与此同时, 由于电磁铁的能耗效率高, 可将机器人的控制电路和电源置于体内, 由此实现软体机器人控制的“无尾化”。

3 组成和原理

该软体机器人的表皮结构可通过注射成型制成。根据设计的表皮结构加工模具, 以硅橡胶或者聚氨酯等为材料, 经过加料、塑化、注射、冷却和脱模等过程, 最终获得所需的表皮。表皮具有线弹性, 能产生变形, 利用其自动变形恢复能力实现运动的效果。

该软体机器人采用柔性电磁铁单元驱动。柔性电磁铁单元跟普通电磁铁组成一样, 包括漆包线和铁芯, 其中铁芯是一种导电的高分子材料, 并具有压阻特性和线弹性, 所以在本软体机器人工作时电磁铁单元能够随着运动变形, 避免刚性的毛病。这种导电的高分子材料可以通过将导电填料分散在高分子材料中制得, 是复合型导电高分子材料领域的一个分支, 比如有人提出采用微米级羰基铁粉 (粒状) 或者羰基多晶铁纤维 (纤维状) 为导电填料, 制备了导电硅橡胶复合材料, 并对这种材料的压阻性能进行了实验研究和理论分析, 为后续开发新型导电复合材料奠定了实验基础[21]。

现阶段, 采用普通电磁铁单元代替柔性电磁铁单元。工作原理都是一样的, 从图1可以看出, 设计中有四组电磁驱动单元。现拟采用三节驱动单元构成, 如图2所示。其中, 每一个电磁铁都嵌在由高分子弹性材料制成的表皮里。利用缠绕在磁芯上的线圈通电, 进而使电磁铁产生磁场力和南北极性, 使前后相邻电磁铁发生排斥作用, 同时电磁铁驱动单元带动前进的表皮与爬行界面的反作用 (脚部为只能前进不能后退的锯齿结构, 如图3所示) , 从而实现机器人的前进、扭转动作。而通过有序地给线圈加一系列的时序脉冲电流, 依次使电磁驱动单元, 两两相互作用, 以后者推动前者来实现蠕动爬行的运动方式。通过给磁芯不同的绕线方式, 或者电源的正反接法, 当两两为一组给线圈中通以电流时, 来使电磁驱动单元的极性成…N-S、S-N、N-S…或者…S-N、N-S、S-N…形式排列, 通过产生的斥力使改组驱动单元的后者推动前者来实现蠕动, 这就是电磁驱动的基本驱动原理。

具体来说, 当驱动信号由单片机系统给出时, 每组驱动单元便可实现运动。设改组电磁铁未通电时为原始状态1, 如图4所示。T1时刻, 在电磁驱动单元1、2、3分别通如图5所示的高低电平信号, 电磁铁1、2通高电平, 电磁铁3低电平。此时1、2号电磁铁产生如图4的极性, 必然有排斥力, 1、2号电磁单元在排斥力作用下便产生了相对位移, 形成了2号单元推动1号单元的运动, 在锯齿结构 (如图3所示) 与地面作用下, 同时, 2、3号电磁驱动单元保持相对静止, 不产生任何位移, 如图4中状态2所示。T2时刻, 给电磁单元1、2断电后立即给电磁单元2、3高电平, 如图5所示。此时, 1、2号电磁驱动单元之间不产生任何作用力, 保持相对静止。同时在高电平作用下, 2、3号电磁驱动单元产生如图4的极性排列, 二者之间同样产生排斥力, 结果是, 1号电磁驱动单元不动, 2号单元在斥力作用下实现了前进位移, 3号

保持不动, 如图4中状态3。3号电磁驱动单元的前进可以通过两种方式实现:第一, 通过躯体整体的前进利用表皮自恢复带动3号电磁驱动单元前进;第二, 通过程序编写和电路连接实现通电时2、3号电磁驱动单元极性的改变, 2、3号之间产生吸引力, 来拉动3号单元的实行前进, 如图4中状态4。本例采用第一种方式前进。当然, 通过调节脉冲信号的频率可以控制运动的速率。

图4和图5分别是软体机器人在一个周期内的运动规律和控制信号波形。其中通过编程可以改变脉冲信号继而控制运动规律。

如图6所示, 截面中有四组电磁铁, 当左边两组通电前进而右边不通电时, 左边会伸长, 而右边则不动, 这样就实现右拐的动作了。同理, 右边通电、左边不通电则实现左拐的动作。所有动作的实现是通过控制电磁铁线圈通电的脉冲序列进行的, 每一个脉冲输出对应一种动作, 这些脉冲输出就是程序里的内容, 这里面就涉及到电路板的问题了。

如图1所示, 电路板被安置在软体机器人的头部, 现阶段可能只可通过加大头部空间, 采用刚性电路板。但是为了更好地配合软体机器人的变形能力, 提出采用可伸展电子电路的设想。可伸展电子电路要求当发生结构变形时, 电学性能和机械性能衰减最小[2]。

伊利诺斯大学研究人员已经发明出一种新的可拉伸硅集成电路, 这种电路可以紧贴球体、人体表面和机翼等复杂形状, 将其包裹起来, 并且在拉伸、压缩、折叠和其他极端机械变形情况下电路也可工作, 且电学性能不会下降。这种超薄柔性电子电路可以像临时刺青一样粘在皮肤上, 而不引人注意, 并且不需要大量电量, 可以在不影响性能的情况下弯曲和伸展。未来这项技术完全可以用到软体机器人上, 真正实现电子学与生物学的融合。

柔性电子电路建成之后, 我们将对电路连接无线收发模块, 实现对软体机器人的远程控制。软体机器人行走在狭缝或者尺寸小的孔洞中, 需要通过摄像头配合进行监视, 如果以上技术能够很快实现, 将对灾区生命探测等众多领域有极大的贡献。

4 结论