基于物理磁力工具箱的智能手机辅助磁学实验创新设计

1缘起

磁现象是生活中常见的现象，也是物理学重要的研究对象.在初中的人教版《物理》九年级磁现象一节中，通过磁铁吸引大头针的数量的不同数目，归纳得出磁极的概念，利用铁粉模拟小磁针来形象地模拟磁体周围的磁场分布情况.高中阶段对磁场的描述从定性描述到定量描述的提升，类比于检验电荷在静电场中的受力引入电场强度的方法，通过磁体或通电导线在磁场中的受力引入磁感应强度（B）这一物理量.然而，在后续的教材中描述磁场主要还是采用磁感线来描述磁场，没有继续采用磁感应强度的分布来描述一些特定的磁场分布.究其原因是：磁感应强度单位特斯拉，常见磁场强度较小，中学实验室缺少可以准确测量磁感应强度的仪器；教材中虽然给出了利用传感器可以研究磁场，由于商业化的数字化实验室价位较高，难以在物理课堂教学中大规模的应用.

随着智能手机的普及，智能手机成为高科技的结晶，配有多种传感器，以小米1s为例，配有磁传感器，x、y、z三个坐标轴分量，测量范围±810微特斯拉，可以进行常见的磁场测量，通过安装免费应用软件Physics Toolbox Magnetometer，（物理磁力工具箱）我们进行了磁现象创新实验的探索.

2Physics Toolbox Magnetometer

Physics Toolbox Magnetometer（物理磁力工具箱）可以从应用商店下载，该软件的主要功能：

（1）这款应用软件主要测量磁场x、y、z三个分量及磁场总体强度Magnetic Feild随时间的变化情况的图像.

（2）能记录的数据以txt的形式存储在手机的存储器上，通过蓝牙、Email、微云等方式进行数据传递到电脑上，可以运用Excel进行进一步的分析.

注意：在测量过程中注意选择传感器的哪个分量.

3磁现象实验创新设计

3.1研究条形磁体的磁场分布

实验目的：研究条形磁体的磁场的空间分布与时间分布.

实验步骤：

（1）运行Physics Toolbox Magnetometer软件，点击Record开始采集数据，按下Pause暂停，可以查看磁场随时间的变化情况.手机放置在条形磁体一端的前面一段时间，观察磁场随时间变化的图像如下：

运动分析：智能手机静止，可以观察磁场分量、总量的变化.

图像分析：磁场的各个分量均未随时间变化.

结论：磁体的分布与空间有关，与时间的分布无关.

（2）智能手机沿直线靠近N极，观察磁场随距离磁极的距离的变化情况.

运动分析：以条形磁体S极为原点，条形磁体为Y轴，建立空间坐标系，可以发现手机在运动过程中其Y分量发生了变化.

图像分析：磁场的Y分量（绿色）曲线逐渐增加.

结论：竖直方向水平越靠近磁极，磁性越强.

（3）智能手机沿垂直于N极方向作直线运动，观察磁场的变化.

运动分析：以条形磁体S极为原点，条形磁体为Y轴，建立空间坐标系，智能手机在运动的过程中，其x、y位置均发生了改变，故需分析磁场总体的变化.

图像分析：磁场的MF总量（蓝色）先增加后减少.

结论：水平方向越靠近磁极，磁性越强.

（4）智能手机沿平行于磁体的方向运动观察磁场的变化.

运动分析：以条形磁体S极为原点，条形磁体为Y轴，建立空间坐标系，智能手机在运动的过程中，其x、y位置均发生了改变.需要分析磁场总体的变化.

图像分析：磁场的MF总量（蓝色）先增加后减小再又增加.

结论：条形磁体两端磁性最强，中间磁性最弱.

3.2研究两个条形磁体叠加的磁场分布

（1）两个同名磁极相互叠加

运动分析：以条形磁体S极为原点，条形磁体为Y轴，建立空间坐标系，可智能手机在运动的过程中，其x、y位置均发生了改变.需要分析磁场总体的变化.

图像分析：磁场的MF总量（蓝色）先增加后减小

结论：两个同名磁极虽然相互排斥，但是叠加后的磁场会变强.

（2）两个异名磁极叠加，磁场变化情况

运动分析：以条形磁体S极为原点，条形磁体为Y轴，建立空间坐标系，可智能手机在运动的过程中，其x、y位置均发生了改变.需要分析磁场总体的变化.

图像分析：以发现智能手机在运动过程中磁场的总量MF量几乎没有发生变化.

结论：两个异名磁极虽然相互吸引，其磁场叠加后大小几乎为零.

（3）智能手机从两个同名排列条形磁体中间经过.

运动分析：以条形磁体S极为原点，条形磁体为Y轴，建立空间坐标系，可智能手机在运动的过程中，其x、y位置均发生了改变.需要分析磁场总体的变化.

图像分析：磁场总量MF（蓝色）几乎为零.

结论：两同名排列条形磁体中间没有磁场.

（4）智能手机从两个异名排列条形磁体中间经过.

运动分析：以条形磁体S极为原点，条形磁体为Y轴，建立空间坐标系，可智能手机在运动的过程中，其x、y位置均发生了改变.需要分析磁场总体的变化.

图像分析：磁场总量MF（蓝色）先增加后减少.

结论：两异名排列的磁体中间磁场两极强、中间弱.

本文运用智能手机配以Physics Toolbox Magnetometer软件可以进行一些磁学实验的创新探索，但也有一些局限性：测量范围有限，从0.5微特斯拉到810微特斯拉，不能够进行强磁场的测量；由于智能手机占有一定的体积，无法探索小空间的磁场分布.期望本研究抛砖引玉，能够启发各位同仁进行智能手机辅助物理实验的创新探索.