磁体周围存在磁场，磁场看不见、摸不着，却真实地起着作用。这篇实验用三件很容易找到的东西（回形针、铁屑和小磁针）把磁场一步步“显影”出来：先找到磁性最强的地方，再让铁屑排出磁感线的形状，最后用小磁针逐点问出每一处的方向。

安全提醒（先读这一段）

  • 钕磁铁（银白色的强力磁铁）吸合时力量很大，容易夹伤手指，取放时要捏住侧面慢慢分开，不要让两块直接“啪”地撞在一起，强磁铁相撞会碎裂崩渣。
  • 绝不能让幼儿接触小磁铁。误吞两颗以上磁铁会在肠道内隔着组织相吸，属于危急情况。
  • 磁铁要远离手机、电脑硬盘、银行卡和公交卡的磁条，也不要靠近装有心脏起搏器的人。
  • 铁屑很细，不要用嘴吹，不要揉眼睛。建议把铁屑封进透明自封袋里使用，做完洗手。
  • 本实验全程不涉及电源和加热，但仍建议在桌面铺一张白纸，方便回收铁屑。

材料与器材

  • 条形磁铁两块（黑色的黑板磁贴、冰箱贴磁条也可以，形状规则的更好观察）；
  • 小磁针或指南针一个（文具店常见，手机的指南针 App 可作参考但不能贴近磁铁使用）；
  • 细铁屑一小包，或用旧钢丝球剪碎代替；
  • 白纸、透明自封袋、透明胶带；
  • 回形针二十来枚，用来找磁极。

第一步：找出磁性最强的地方

把回形针散开铺在桌面上，握住条形磁铁的中间，让磁铁平躺着从回形针堆上缓缓扫过，再提起来数一数：哪一段吸住的回形针最多？

会发现两端挂得又多又密，中间几乎一枚都吸不住。磁铁上磁性最强的这两端就叫磁极。把磁铁用细线水平吊起来，等它自由停稳，指向北方的那端是北极（N 极），指向南方的那端是南极（S 极）。

第二步：让铁屑排出磁感线

把铁屑均匀撒进透明自封袋，压平封好，再用胶带把袋子固定在白纸上。把条形磁铁放在纸的下面，然后用手指轻轻敲击纸面，注意是敲，不是摇。

敲击的瞬间，铁屑会跳起来重新排列，很快形成一条条从磁铁一端出发、绕个大弯回到另一端的曲线。两极附近的曲线又密又清楚，磁铁侧面中部则稀稀拉拉。这些纹路，就是磁感线的形状。

第三步：用小磁针问出方向

铁屑只画出了线条的形状，却没告诉我们方向。这一步交给小磁针：把它依次放到磁铁的正上方、正下方、两极的正前方，每次等它完全停稳，再记下红色 N 极指着哪边。沿着 N 极所指的方向把小磁针挪一小步，再看它转向哪里，如此一步步走下去，走出来的就是一条磁感线。

互动小实验 · 拖动磁体和小磁针
S N S N 小磁针

一块条形磁体：磁感线从 N 极出来、绕一圈回到 S 极。

磁体：
提示：拖动磁体或小磁针；点一下磁体可调换 N、S 极
桌上的小磁针一次只能问一个点，这里可以把它拖到任意位置连续地看；切换成两块磁体，还能比较同名磁极和异名磁极之间的区别。完整讲解见磁场与磁感线模拟详解。

现象记录

把观察到的结果对照下面几条，写进实验记录：

  • 回形针几乎全挂在磁铁两端，中间部位吸不住，磁极在两端，磁性最强。
  • 铁屑排出的曲线从一极出发、绕行一圈回到另一极，两极附近最密。
  • 小磁针放在磁铁上方时 N 极朝一边，放在下方时朝相反的一边；沿曲线移动，指向始终与曲线相切。
  • 把磁铁翻个面，铁屑的形状不变，但小磁针的指向全部反了过来。
  • 两块磁铁异名磁极相对时互相吸引，中间的铁屑连成一片；同名磁极相对时互相排斥，中间出现一条几乎没有铁屑的空白带。
  • 把磁铁移远，铁屑纹路迅速变淡，距离越远磁场越弱。

原理解释

磁体之间并没有直接接触，中间起作用的是磁场：磁体周围存在的一种看不见的物质，磁体之间的力就是通过它传递的。

为了把磁场画出来，物理学引入了磁感线，一系列有方向的曲线，曲线上每一点的切线方向都跟该点的磁场方向一致。磁场方向的规定是：小磁针静止时 N 极所指的方向，就是该点的磁场方向。按这个规定，磁体外部的磁感线一定是从 N 极出来、回到 S 极，内部则由 S 极指向 N 极，因此磁感线是闭合的曲线。它们永不相交，因为一个点上小磁针只会指一个方向；越密的地方磁场越强，这正对应两极附近铁屑最密。

那铁屑为什么会自动排成线？因为每一粒铁屑在磁场中都被磁化成了一根小磁针，各自转到当地的磁场方向，又首尾相吸连成串。轻敲纸面是为了让铁屑短暂脱离摩擦、转到最省力的位置。要强调的是，磁感线是人为画出来的辅助线，空间中并不真的存在这些线，铁屑只是把它的形状显示了出来。

磁极之间的规律是同名磁极相斥、异名磁极相吸。小磁针的 N 极之所以指北，是因为地球本身就是一个巨大的磁体，而地磁的南极位于地理北极附近，异名相吸，所以 N 极朝北。

给老师和家长的组织建议

  • 课时与分组：25 分钟，两人一组；铁屑撒在纸上、磁体放纸下。
  • 动手前先说清楚：铁屑勿入眼；远离手机与磁卡。

最容易被跳过的一步。铁屑撒之前先让学生猜磁感线的形状并画在本子上，撒完再对照。小磁针要多点几个位置，让他们自己发现「针尖总是首尾相接」。

怎么判断真的懂了。能说出磁感线从 N 极出发回到 S 极、并根据小磁针指向判断磁极，即达标。

拓展一下与常见误区

  • 自制指南针：把一根缝衣针沿同一方向在磁铁上摩擦三十次使其磁化，穿在小块泡沫上浮于水面，它会自己转到南北方向。
  • 把磁铁掰断会怎样：得到的是两根各有 N、S 极的小磁铁，永远得不到单独的一个磁极，这一点和电荷完全不同。
  • 误区一：“外部磁感线从 S 极到 N 极”——记反了，外部 N 到 S、内部 S 到 N。
  • 误区二：“磁铁能吸引所有金属”——只能吸引铁、钴、镍等少数磁性材料，铜、铝、金、银都吸不动，可以用硬币当场验证。
  • 误区三：“磁场只存在于铁屑排出线条的地方”——磁场充满磁体周围的整个空间，线条只是我们选出来画的几条。
  • 再往前一步，就是电与磁真正连起来的地方：通电导线周围也会产生磁场，那是电动机和发电机的起点。

当学生能指着铁屑的纹路说清“这条线从哪出发、朝哪个方向、哪里最强”，这个实验就算做到位了。