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[项目] 创客技术助力科学实验系列 | 电磁铁

教科版小学科学六年级上册的第三单元的内容为《能量》,主要学习电磁铁和能量。其中，在电磁铁部分，安排了一些演示实验和分组实验。在常规实验中，主要通过观察是否影响指南针的指向来感受是否产生了磁力，通过观察吸起的回形针的多少来感受磁力的大小。引进创客技术来改进实验方案，可以让实验条件与结果的相关性更加显著，还能对实验结果进行量化，以便为实验结果分析提供更充分的依据。

本案例选取了其中的两次实验进行展示，其他的实验仍可使用制作好的磁力检测仪结合常规实验方法完成。

总实验方案

利用 micro:bit作为主控板*，通过外接磁感应传感器、LED灯、显示屏等模块搭建制作磁感应灯、磁力检测仪等装置，并结合常规的实验材料和方法进行创新性实验。

*选择micro:bit作为主控板，是因为其板载了磁力计模块；使用其他主控板可能需要外接磁力计模块。

材料准备

【创客器材清单】

（1）3.6V电池及电池盒 1套

（2）micro:bit 1块

（3）IO扩展板 1块

（4）磁感应传感器 1个

（5）LED灯 1个

（6）显示屏 1个

【科学实验材料】

（1）开关 1个

（2）电池盒  2个

（3）电池 2节

（4）铁钉  1根

（5）漆包线  1卷

（6）砂纸 1片

（7）磁钉 1个

（8）导线 4根

实验活动一：通电线圈

01 实验方案

在micro:bit主控板上连接一个磁感应传感器和一个LED灯，再通过编程制作一个磁感应灯，当检测到周围环境中有一定的磁力时会自动亮起，否则为熄灭状态。

使用电池、开关、线圈等材料搭建好电路，将线圈靠近磁感应传感器，观察开关打开和闭合状态下LED灯的状态，从而感知电流通过线圈能产生磁场的现象。

02 实验过程

【连接电路】

使用其中的1节电池、1个电池盒、3根导线和开关、线圈连接成一个电路。注意，漆包线的两头需要使用砂纸进行打磨。

【制作磁感应灯】

先将micro:bit主控板按标识指示的方向插入扩展板插槽中，然后将磁感应传感器连接到引脚P1、LED灯连接到引脚P8上，并将板载蜂鸣器开关置于打开状态。

有条件的还可以制作一个底座，以便更好的固定电子模块，如上图所示。最后，接上电池，等待上传程序后调试。

使用Mind+软件进行编程，示例程序如上图所示。要实现的功能是：当磁感应传感器检测到一定强度的磁力（引脚P1输入值为1）时，让LED灯亮起，并通过蜂鸣器（默认引脚为P0）发出声音；否则，LED灯和蜂鸣器都不工作。

将程序上传到主控板后，打开电池盒和扩展板的电源开关，将磁钉放置在磁感应传感器边。如果LED灯和蜂鸣器都正常工作，则表明该磁感应灯制作成功。

【进行实验】

将开关置于断开状态，观察LED灯状态。

开关置于闭合状态，观察LED灯状态。

03 实验分析

当开关处于断开状态时，LED灯没有亮起；当开关处于闭合状态时，LED灯亮起，说明当电流通过线圈时产生了磁场。

实验活动二：电磁铁的磁力

01 实验方案

在micro:bit主控板上连接一个显示屏，并利用板载的磁力计模块，再通过编程制作一个磁力检测仪，用来检测所处环境中的磁力的大小。

使用铁钉和漆包线自制电磁铁，分别检测在不同条件下（线圈圈数、电流强度等）电磁铁的磁力的强度变化，从而找出可改变电磁铁磁力大小的因素。

02 实验过程

【制作磁力检测仪】

将显示屏模块连接到扩展板上的IIC引脚。

可以制作一个支架将显示屏固定在底座上。还可以制作一个电磁铁支架，实验时用来放置电池铁。设计支架的高度时需要参照micro:bit主控板板载的磁力计模块的位置（如下图所示），以达到较好的检测效果。

使用Mind+软件进行编程，示例程序如图15所示。要实现的功能是：每隔1秒检测一次磁力值，并将结果显示在显示屏上。

将程序上传到主控板上，打开电源，测试磁力检测仪，看能否正常工作。

【进行实验】

【验证电磁铁磁力是否与线圈圈数有关】

将漆包线按同一方向缠绕在铁钉上，制成电磁铁。前后分多次，分别制作圈数不同的电磁铁。本实验中，制作了10圈、20圈、30圈三种电磁铁。

将制作好的电磁铁接到电路中，然后靠近micro:bit的磁力计模块，合上开关，观察并记录磁力值。

前后共进行了三次，分别对线圈为10圈、20圈、30圈的电磁铁进行检测，结果如图19所示，分别为515μT、1196μT、1443μT。

实验分析：

在相同电源条件下，也就是在电流相同的条件下，改变电磁铁线圈的圈数后，我们会发现：线圈圈数多，磁力大；线圈圈数少，磁力小。

【验证电磁铁磁力是否与电流大小有关】

保持上一次实验的条件不变，即使用1节电池作为电源，电磁铁线圈的圈数仍是30圈。检测结果如下图所示，磁力值为1474μT。

在原来的电路中再串联1节电池，使电源变成2节电池，电磁铁保持不变。再次检测磁力值，检测结果如下图所示，磁力值为2184μT。

实验分析：

在电磁铁不变条件下，也就是在电磁铁线圈圈数相同的条件下，改变电流的大小后，我们会发现：电流大，磁力大；电流小，磁力小。

后记

电和磁的关系是非常奇妙的，很多小朋友都乐于研究。根据本案例的思路，相信小朋友们还可以继续研究出更多的电磁铁的性质。

最后提醒大家的是，做这个实验很消耗电池，所以尽量在做好充分准备后快速完成检测工作，然后断开开关；而且通电后的线圈和导线等都会产生一定的热量，不要用手直接触碰电路中裸露的金属部件。建议在老师或家长的指导下完成！

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