1. 3M科学总动员@家庭实验 –相互作用
相互作用

什么物体会被磁铁吸引?

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关键概念

  • 磁力

     

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  • 介绍

    如果有人问你哪种材料可被磁体所吸引,你可能会回答“金属”。尽管也算是正确的,但并非所有的金属都会以相同的方式受到磁体的影响。即使是硬币,尽管在很多方面都是相同的,但它们对磁力的响应程度却大不相同。你为什么会认为磁铁会吸引有些东西,而却不能吸引另一些东西呢?事物的状态是永远保持不变的呢,亦或是我们可以改变材料与磁铁的相互作用方式?让我们在这种非常吸引人的活动中探索这些问题的答案以及学习更多的内容!

  • 背景

    尽管自古以来人们一直知道磁的存在,但人们直到最近才发现如何利用磁力的方法。在16世纪时,伊丽莎白女王(Queen Elizabeth)委托她的个人科学家威廉·吉尔伯特(William Gilbert)研究清楚为什么探险家的指南针在世界某些地区会失灵的原因。他们知道这个问题与磁有关,但不确定如何解决这一问题。吉尔伯特(Gilbert)经过大量实验以后,才发现这是由于地球磁场的影响所导致。他不得不尝试各种各样的材料,以查看哪些会受到磁体的影响以及哪些不受到磁体的影响。今天,让我们在这里再现当时探索的过程。

  • 准备

    从家里找10-15个小物体。尝试选择一些你认为会吸引磁铁的物体,一些不会吸引磁铁的物体,以及一些不确定会不会吸引磁铁的物体。确保你一定不要使用任何的电子产品。可以尝试一些非常有趣的物体,例如钥匙、铝箔、硬币、纽扣、木块、回形针、毛绒动物、铅笔、书籍、银器、塑料玩具、纸和袜子。

  • 步骤

    1. 做出预测:哪些物体会吸引磁铁,哪些不会?将你认为会吸引磁铁的东西放在一堆,将你认为不会吸引磁铁的东西放在一堆,以及将你不确定会不会吸引磁铁的东西放在另一堆。
    2. 选择一个要测试的对象。将磁铁靠近物体,看看能否感觉到磁铁受到吸引或受到排斥。
    3. 将物体分为两堆:确实存在吸引或排斥的物体放一堆,不发生吸引或排斥的物体放另一堆。如果你有一个物体的一部分被磁铁吸引,而另一部分无法确定是否受到吸引或排斥,这样的物体可以放在新的一堆。
    4. 对分好的这两堆(或三堆)的进行观察,找出其中的相同之处和不同之处。什么样的物体会吸引磁铁?
  • 观察与结果

    吸引磁铁的物品都有一些共同的特点,即其中含有铁、钢(主要由铁制成)、钴或镍等材料。可能有些金属制品无法吸引磁铁。那是因为它们内部的材料中不含铁、钴或镍。铜、锡和铝等其他金属也不会吸引磁体。诸如木头、布料和塑料之类的东西也不会吸引磁铁。这是由于不同材料中原子的行为方式所导致。世界上的所有物体都包含磁畴,磁畴决定了某些物体是否会吸引磁体。可以将磁畴视为物体内部的小型磁铁。每个物体内部都有许多磁畴,并且在大多数情况下,磁畴是混乱的,表现杂乱无章,因此它们之间彼此抵消,因此它们不会像磁铁一样起作用。当物体有磁性时,这些畴彼此对齐,因此可以形成磁场。一些特殊的材料,例如铁、镍和钴,它们的磁畴可以在磁场中来回切换,它们可以通过磁场顺向排列变成磁体,也可以使得磁畴变得杂乱无章,从而不再像磁铁一样起作用。这就是为什么只有铁、镍和钴会吸引磁铁的原因。

  • 清理

    在实验完成后,请记得进行清理工作。将所有使用过的物体放回它们原来的位置。

  • 探索更多

    现在,你已经测试了房屋周围能找到的物体,如果你可以走到外面,看看是否可以在外面找到物体并尝试进行此类操作。特别是,如果你可以进入院子或公园,那将是在自然界寻找可以用来实验的物体的理想之地。你认为在自然界能够找到多少可以起作用的东西?如果这些物体确实会被磁铁吸引或排斥,你能从中发现什么?

    现在要做的一件有趣的事情是,你知道所有这一切后,你会随时都带着磁铁,并在只要想到时都会对物体进行检查。如果你碰到过从未用磁铁测试过的东西,请拿出磁铁,看看它是否被吸引、排斥或没反应。同样,请尝试记住有关测试物体的信息。同时,像以前一样,请避免使用电子设备测试物体,因为如果这些设备离磁铁太近,有时会被弄坏。而且,尽管现在不太容易见到,但如果你遇到盒式磁带或录像带,也请使其远离磁体,因为盒式磁带或录像带上面的有关信息可能会被磁体擦除。

  • 安全第一和成年人监督

    • 认真按照实验说明进行操作。
    • 在每个实验中,应当由监护人提供协助。
    • 虽然在家进行科学实验是学习动手科学的好方法,但请注意,有些实验可能要求参与者采取额外的安全预防措施,否则,有可能会出问题。
    • 针对可能有害的材料或锋利的物体,大人应当给予处理或协助处理。
    • 在进行任何实验之前,大人应了解这个实验,确保学生年龄适合参与每项活动。

科学知识教学大纲

这项实验之所以被“科学总动员之家庭实验”选中,是因为磁力是重要的科学知识。磁力在多个科学或工程学科中都非常重要。

物理科学1:物质及其相互作用

一阶段

  1. 存在不同种类的物质,并且可以通过可观察到的物质的特性来进行描述。
  2. 不同的性质对应其不同的用途。

二阶段

  1. 可以将任何类型的物质分割成为极小的肉眼看不到的粒子,但即使看不到,但这些物质仍然存在,并且可以通过其他方式检测到。

三阶段

  1. 原子形成分子,分子的大小范围:可能从由两个原子构成的分子到可以由数千个原子构成的分子。分子可以是具有重复亚基的延伸性结构。
  2. 每种纯物质都具有特征性理化性质,这些理化性质可用来识别每种物质。
  3. 在固体中,原子间隔很近,并且可能在一个位置上振动,但不会改变相对位置。

四阶段

  1. 每个原子都有一个带电的子结构,该子结构由原子核组成,原子核由质子和中子构成,原子核的外部被电子包围。
  2. 在元素周期表中,按原子核中的质子数水平对元素进行排列,并将化学性质相似的元素放在同一列。该表的重复图案反映了核外电子态的模式。
  3. 物质在大尺度上的结构和相互作用是由原子内部和原子之间的电作用力所决定的。
  4. 稳定形式的物质是那些使电场和磁场能量达到最小化的物质。

物理科学2:运动和稳定性:力和相互作用

一阶段

  1. 对于物体的推力和拉力可能具有不同的强度和不同的方向。
  2. 推或拉物体可以改变其运动的速度或方向,也可以使之运动或使之停止。

二阶段

  1. 每种力作用在一个特定物体上,既具有强度又具有方向。静止的物体通常会受到多个作用力,但它们加在一起会使物体所受到的合力为零。合力不为零时会导致物体的速度或运动方向发生变化。
  2. 可以观察和测量物体在各种情况下的运动模式;当以前的运动呈现出有规律的运动模式时,可以由此预测未来运动的情况。

三阶段

  1. 对于任何一对相互作用的物体,第一物体施加在第二物体上的力的大小等于第二物体施加在第一物体上的力的大小,但方向相反。
  2. 物体的运动取决于作用在物体上的力的和。如果作用在物体上的总合力不为零,其运动状态将发生改变。物体的质量越大,实现相同运动变化所需的力就越大。对于任何给定的物体,更大的力会导致产生更大的运动变化。

四阶段

  1. 牛顿第二定律可以准确预测宏观物体运动的变化。
  2. 动量是针对特定参考系进行定义的;它是力和物体速度的乘积。在任何系统中,总动量始终保持不变。
  3. 如果系统与自身以外的物体进行相互作用,则系统的总动量会发生变化;但是,任何此类变化都可以通过系统外部物体动量的变化来加以平衡。

一阶段

  1. 当物体间发生接触或发生相互碰撞时,它们会相互推动并改变运动的状态。

二阶段

  1. 接触的物体之间会相互施加作用力。
  2. 一对物体之间的电磁力不需要物体之间发生相互的接触。
  3. 在每种情况下,力的大小取决于物体的属性及其之间的距离,对于两个磁体之间的力,其大小则取决于它们相对于彼此的方向。

三阶段

  1. 电磁力可以是吸引力,也可以是排斥力,其大小取决于所涉及的电荷、电流或磁场强度的大小以及相互作用的物体之间的距离。
  2. 远距离作用的力可以通过在空间中延伸的场来解释,并且可以通过它们对测试物体的影响作图。

四阶段

  1. 远距离的力可以由贯穿到空间的场来解释,所述的场可以通过空间传递能量。
  2. 磁铁或电流会导致产生磁场;电荷或变化的磁场会产生电场。
  3. 原子尺度上的电荷之间的吸引和排斥作用可以对物质的结构、性质以及物质对象之间的恒定力进行解释。

一阶段

  1. 更大的推力或拉力会使物体运动得更快。

二阶段

  1. 当物体发生碰撞时,接触力会传递能量,从而改变物体的运动状态。

三阶段

  1. 当两个物体相互作用时,每个物体都在另一个物体上施加力,这可能导致能量会传递到物体上或会从物体上传递出去。

四阶段

  1. 当通过一个场进行相互作用的两个物体改变相对位置时,存储在场中的能量就会改变。

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