《生活科学启蒙课堂｜发现身边的吸铁石知识》

初识吸铁石：从自然馈赠到人造智慧演讲人《生活科学启蒙课堂｜发现身边的吸铁石知识》各位同学、各位家长朋友们，大家好。我是从事青少年科普教育工作已满8年的林晓，日常的工作就是带着小朋友们从身边的小事里发现科学的乐趣。今天我们的课堂主题，就是围绕大家最熟悉又最容易忽略的“吸铁石”展开——可能你家里的冰箱上就贴着它，可能你戴的耳机里藏着它，甚至你去医院做检查时，也会和它打个照面。接下来的40分钟，我们将从初识吸铁石开始，一步步揭开它的神秘面纱，看看它如何悄悄改变我们的生活。01初识吸铁石：从自然馈赠到人造智慧021最早的“吸铁石”：天然磁石的发现1最早的“吸铁石”：天然磁石的发现我们常说的吸铁石，专业名称叫永磁体，最早的永磁体其实是天然的磁石。早在两千多年前的战国时期，古人就发现了一种能自动指向南北的石头，当时称之为“慈石”，因为它会像母亲吸引孩子一样吸住铁制的器物。我第一次接触天然磁石，是在省科技馆的矿石展区，一块拳头大小的深灰色矿石，轻轻靠近一枚铁钉，就能把它牢牢吸住，当时我还特意蹲下来看了好久，不敢相信一块普通的石头居然有这么神奇的力量。后来我查过资料，这种天然磁石的主要成分是四氧化三铁，也就是我们常说的磁铁矿，是地壳中自然形成的磁性矿物。032现代吸铁石：从天然到人造的跨越2现代吸铁石：从天然到人造的跨越天然磁石的磁性比较弱，而且形状不规则，很难应用到实际生活中。到了19世纪，随着冶金技术的发展，人们开始制造人造永磁体，最早的是铁镍合金，后来又出现了铁氧体永磁体，也就是我们家里冰箱贴常用的材料。现在我们最常用的永磁体是钕铁硼合金，它的磁性是铁氧体的十几倍，体积却小很多，小到耳机里的喇叭，大到磁悬浮列车的轨道，都能看到它的身影。去年我帮一位做五金配件的朋友整理仓库，看到满满一货架的钕铁硼小磁体，指甲盖大小的一块，吸力居然能吸起一枚硬币，当时我就感叹，人类的智慧真的能把自然的力量放大这么多倍。043吸铁石的基本规矩：磁极与相互作用3吸铁石的基本规矩：磁极与相互作用不管是天然磁石还是人造永磁体，都有两个特殊的端点，我们称之为磁极，分别是南极（S极）和北极（N极）。吸铁石最核心的特性就是“同极相斥，异极相吸”——把两个吸铁石的北极靠在一起，它们会互相推开；把北极和南极靠在一起，它们会紧紧吸住。我小时候第一次玩吸铁石的时候，把两个冰箱贴的同极对着放，怎么都贴不到一起，还以为是吸铁石坏了，后来我爸爸告诉我这是“同性相斥”的原理，当时我还做了好多实验，把吸铁石拴在绳子上挂起来，让它自由转动，最后果然停在了南北方向，这也是古代司南的原理，现在的指南针也是用这个道理做的。054不是所有东西都能被吸铁石吸住4不是所有东西都能被吸铁石吸住很多人以为只要是金属就能被吸铁石吸住，其实并不是这样。只有铁、镍、钴这三种金属，以及它们的合金，才能被吸铁石吸引，我们称之为铁磁材料。比如我们家里的不锈钢勺子，有的能被吸铁石吸住，有的却不行，这是因为不同的不锈钢合金成分不一样，304不锈钢的镍含量比较高，属于非铁磁材料，所以吸不住；而201不锈钢的镍含量低，就会被吸住。我之前在超市做科普活动的时候，有一位小朋友拿着不锈钢保温杯问我：“老师，这个杯子为什么吸不住吸铁石？”我当场拿了一枚吸铁石试了试，果然吸不住，然后给他解释了铁磁材料的区别，当时小朋友听得特别认真。聊完了吸铁石的基本性质，接下来我们一起看看，这些看似普通的小磁体，其实藏在我们生活的每一个角落，扮演着各种各样的角色。061家居生活：方寸之间的贴心帮手1家居生活：方寸之间的贴心帮手家居场景是吸铁石应用最广泛的地方，几乎每个家庭都能找到它的身影。1.1厨房的“隐形帮手”我家厨房的墙上装了一套磁吸刀架，当初装修的时候特意选了免打孔的款式，不用在瓷砖上钻孔，只要把刀架贴在瓷砖上，再把刀具挂上去就行，不仅节省了橱柜的空间，而且拿取刀具特别方便。这套刀架里面就装了好几块钕铁硼磁体，吸力特别强，就算挂一把沉重的斩骨刀也不会掉下来。除此之外，厨房的磁吸挂钩、磁吸保鲜膜盒、磁吸调料罐，都是利用了吸铁石的吸力，让厨房的收纳变得更简单。还有冰箱的门封条，里面藏着一圈磁条，能把冰箱门牢牢吸住，防止冷气跑出去。去年我家的老冰箱突然不制冷了，师傅上门检查之后说，是门封条的磁条老化了，吸力不够，导致冷气泄漏，后来换了新的门封条，冰箱立马就恢复了正常，当时我才明白，原来小小的磁条居然关系到冰箱的制冷效果。1.2家电里的“核心零件”很多家电的内部都藏着吸铁石。比如我们常用的有线耳机，喇叭里面就有一个小型的永磁体，当电信号通过线圈的时候，线圈会在永磁体的磁场里产生运动，带动振膜发出声音。我之前拆过一个旧的有线耳机，里面的永磁体只有黄豆大小，但是吸力特别强，轻轻一碰就能吸起一枚回形针。还有吹风机、电风扇的电机，里面的永磁体能把电能转化为机械能，让电机转动起来。现在很多新能源车用的永磁同步电机，就是用钕铁硼磁体做的，比传统的电机更省电，动力也更强，开起来更平顺。072交通出行：改变出行方式的磁性力量2交通出行：改变出行方式的磁性力量吸铁石在交通出行领域的应用，更是改变了我们的出行方式。2.1磁悬浮列车：“贴地飞行”的秘密大家都听说过磁悬浮列车吧，上海的磁悬浮列车是国内第一条商业化运营的磁悬浮线路，时速能达到430公里。它的秘密就是利用了吸铁石的同极相斥原理——列车底部的永磁体和轨道上的电磁线圈产生的磁场互相排斥，让列车悬浮在轨道上方，没有了轮子和轨道的摩擦，所以能跑得特别快。我去年去上海出差的时候，特意坐了一次磁悬浮列车，从龙阳路到浦东机场只用了8分钟，当时看着窗外的景物飞速后退，真的感觉像在飞一样。2.2日常出行里的吸铁石除了磁悬浮列车，我们日常出行的交通工具里也有吸铁石。比如家用汽车的中控门锁，很多车型都是用电磁吸合的，按一下钥匙，门锁里的吸铁石就会吸合或者松开，车门就能打开或者锁上。还有共享单车的智能锁，里面也装了小型的永磁体，用来检测车锁有没有关好，当用户扫码开锁的时候，吸铁石会带动锁舌打开，锁车的时候又会吸合锁舌。我之前做共享单车的科普活动，有一位小朋友问我：“老师，共享单车为什么不会被别人随便打开？”我就给他解释了里面的磁吸锁的原理，当时小朋友听得眼睛都亮了。083办公与学习：提升效率的隐形工具3办公与学习：提升效率的隐形工具在办公和学习场景中，吸铁石也能帮我们很多忙。3.1办公场景的磁吸用品办公室里的白板磁吸扣、文件柜的磁吸锁、铁皮柜的磁吸挂钩，都是吸铁石的应用。我所在的科普工作室里，白板上贴满了各种教案和照片，都是用磁吸扣固定的，不用的时候轻轻一拿就能取下来，特别方便。还有很多公司的铁皮文件柜，用磁吸钥匙就能打开，不用带笨重的钥匙，既安全又方便。3.2学习用品里的吸铁石学习用品里的吸铁石也很多，比如磁性拼图、磁吸文具盒、磁性白板笔。我女儿小时候特别喜欢玩磁性拼图，把各种形状的磁片贴在冰箱上，拼成各种小动物和汽车，不用的时候可以直接收在盒子里，不会散落得到处都是。还有很多学校的科学课上，老师会用吸铁石做实验，让学生们直观地感受磁性的力量。094医疗健康：守护健康的磁性科技4医疗健康：守护健康的磁性科技在医疗领域，吸铁石的应用更是发挥了巨大的作用，最典型的就是核磁共振成像（MRI）。医院里的核磁共振设备，里面有一个超大的超导磁体，能产生超强的磁场，当人体进入这个磁场的时候，体内的氢原子会按照磁场的方向排列，然后通过无线电波激发氢原子，接收它们返回的信号，就能生成身体内部的清晰图像。我妈妈去年因为腰椎间盘突出做了核磁共振，当时躺在那个大圆筒里，有点紧张，医生说里面的磁体很强，不能带任何金属进去，后来拍出来的照片特别清楚，医生很快就找到了问题所在。除了核磁共振，还有一些磁吸的理疗设备，比如磁吸按摩仪，利用磁场的作用缓解肌肉疲劳，不过这类设备只能起到辅助作用，不能替代正规的医疗治疗。聊了这么多吸铁石的应用，可能大家会好奇，吸铁石的磁性到底是从哪里来的？为什么有的东西能被吸住，有的却不行？接下来我们就来揭开吸铁石的神秘面纱，聊聊它的核心原理。101磁与电的不解之缘1磁与电的不解之缘很多人以为磁性是吸铁石独有的特性，其实并不是这样，电和磁其实是一体两面的。1820年，丹麦物理学家奥斯特做了一个著名的实验：把一根通电的导线放在指南针旁边，发现指南针居然发生了偏转，这说明电流能产生磁场。这个实验证明了电和磁之间有着密切的联系，后来人们又发现，变化的磁场也能产生电流，这就是电磁感应原理，发电机就是利用这个原理制造的。我在课堂上做过这个实验，用一节干电池、一根细导线和一枚指南针，接通电源之后，指南针果然发生了偏转，当时小朋友们都特别惊讶，纷纷凑过来观察，这也是他们第一次直观地感受到电和磁的联系。112永磁体的磁性来源2永磁体的磁性来源既然电流能产生磁场，那永磁体的磁性又是从哪里来的呢？其实每一个原子都相当于一个微型的小吸铁石，因为原子内部的电子在绕着原子核运动，同时还在自转，这些运动都会产生微小的磁场。在普通的材料中，这些原子的磁场方向是杂乱无章的，所以整体的磁性会相互抵消，对外不显磁性。而在铁磁材料中，当我们用一个强磁场靠近它的时候，这些原子的磁场方向会整齐排列起来，整体就会显示出磁性，这就是永磁体的磁性来源。我们可以用一个比喻来形容：就像一群杂乱无章的士兵，当指挥官下令之后，他们都会排成整齐的队伍，这样就能形成一股强大的力量。123磁化与退磁的小秘密3磁化与退磁的小秘密刚才我们说的，让铁磁材料获得磁性的过程，就叫做磁化。比如把一根铁钉靠近吸铁石，铁钉就会被磁化，变成一个小吸铁石，能吸起其他的铁钉。但是如果我们把磁化后的铁钉加热到一定温度，或者用锤子用力敲打它，原子的运动就会变得杂乱无章，磁性就会消失，这个过程就叫做退磁。我在课堂上做过退磁的实验，把一枚吸铁石放在燃气灶上加热，大概5分钟之后，拿起来靠近铁钉，居然吸不住了，当时小朋友们都特别好奇，纷纷问我为什么会这样，我就给他们解释了温度对磁性的影响。明白了吸铁石的基本原理之后，我们不如动手做几个小实验，亲自感受一下吸铁石的魔力。这些实验的材料都很容易找到，适合大家在家里或者课堂上做。动手探索：身边的吸铁石趣味实验131简易指南针制作1简易指南针制作实验材料：一枚铁钉、一根吸铁石、一小块泡沫、一碗清水。实验步骤：1.把铁钉在吸铁石上摩擦30-50次，让铁钉被磁化；2.把磁化后的铁钉插在泡沫块上；3.把泡沫块放在清水里，让它自由漂浮。实验现象：泡沫块会慢慢转动，最后停在南北方向，这就是简易的指南针。这个实验的原理就是利用了吸铁石的磁极特性，磁化后的铁钉会像天然磁石一样，指向南北方向。142隔空吸物挑战2隔空吸物挑战实验材料：一枚吸铁石、若干回形针、几张A4纸。实验步骤：1.把一张A4纸放在桌面上，把回形针放在纸的另一边；2.把吸铁石放在纸的另一边，慢慢移动吸铁石，看看能不能把回形针吸起来；3.逐渐增加A4纸的数量，看看最多能隔几张纸还能吸住回形针。这个实验能让大家直观地感受到磁场的穿透性，吸铁石的磁场可以穿透纸张、塑料等非铁磁材料，所以即使隔着几张纸，也能吸住回形针。153磁性小船竞速3磁性小船竞速实验材料：一小块泡沫、一枚回形针、一枚吸铁石、一碗清水。实验步骤：1.把回形针插在泡沫块上，做成小船的样子；2.把小船放在清水里；3.把吸铁石放在碗的旁边，慢慢移动吸铁石，看看小船会不会跟着移动。这个实验能让大家感受到磁场的作用力，即使没有直接接触，吸铁石也能通过磁场带动小船移动，就像磁悬浮列车悬浮在轨道上一样。164退磁小实验4退磁小实验实验材料：一枚吸铁石、一枚铁钉、一个打火机或者燃气灶。实验步骤：1.先用吸铁石吸住铁钉，确认铁钉有磁性；2.把铁钉放在燃气灶上加热，直到铁钉变红；3.把加热后的铁钉拿起来，靠近另一枚铁钉，看看能不能吸住。这个实验能让大家直观地感受到温度对磁性的影响，加热后的铁钉会失去磁性，因为原子的运动变得杂乱无章了。聊到这里，我们今天的课堂就要接近尾声了。回过头来看，我们从初识吸铁石开始，了解了它的基本性质，探索了它在生活中的各种应用，揭开了它的核心原理，还动手做了几个趣味实验。其实吸铁石离我们并不遥远，它藏在我们家里的冰箱贴里，藏在我们戴的耳机里，藏在磁悬浮列车的轨道里，甚至藏在医院的核磁共振设备里。4退磁小实验今天我们的课堂主题是《生活科学启蒙课堂｜发现身边的吸铁石知识》，我们围绕这个主题，从四个维度展开了学习：首先是初识吸铁石，了解了它从天然磁石到人造永磁体的