金属探测仪探究:可视金属探测仪
时间：2019-05-18 03:26:39 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
一、问题的提出 金属探测仪(器)是一种主要用于对金属材料進行探查、检测的仪器，它被广泛应用于教育、安保等行业和领域。 然而，在某些重大的考试当中，还是偶尔会出现一些性质较为恶劣的考试作弊事件。按理说，重大考试中一般都有“入门检查”这一关，金属探测仪都应当会派上用场，怎么偏偏还有“漏网之鱼”呢?这是否意味着，金属探测仪并不是十全十美的?
于是，我们决定组建一个专门的研究性学习小组，就金属探测仪的功能、性能做一个较为全面的研究。
二、主要目标和思路
我们向学校申请到了一支专用于考场的手持式金属探测仪，它的型号为MD-300型。从外观上看，它的探测部分是一个直径约14cm的环，与环相连的手持杆部分的长度是42cm。使用探测环对物品加以探测，一旦发现“目标”，它的鸣叫器会发出尖锐的鸣叫声(或振动器发生振动)。
我们的研究项目主要指向是：金属探测仪能对怎样的物质和物体進行探测，在灵敏度方面有怎样的差异。
基本思路则是：将探测环缓缓靠近被探测物，直到探测仪发出鸣叫，此时用尺测量出被探测物与探测环中心之间的距离。显然，物体的可探测距离越远则说明其越容易被探测到，即该实验灵敏度越高。
三、过程与分析
本项目所需设备、药品基本都取自学校化学实验室、物理实验室和微机房。为确保实验的科学性，对每个平行实验都做3次，测量数据取平均值，偏差较大的数据则舍去。
1 与元素形态的关系
铜和铁都是常用金属，首先对这两种金属的单质(块状)、固态化合物、溶液态化合物進行探测、对比，结果如表l、表2：
结果表明，金属探测仪所能探测的“金属”应仅仅指游离态(即单质)的金属，而非广义上的“金属元素”，当金属一旦转化为化合物即无法探测出。
2 与金属形状的关系
金属单质的外形各异，有细小粉末状的、大颗粒状的、片状的、块状的等。
首先，取一些最常使用的金属粉末，将其平铺在纸片上——探测，结果如表3：
结果表明，金属粉末并不能被探测到。我们也曾对一整瓶金属粉末進行测试，即便如此，金属探测仪都对其“视而不见”。
如果将这些粉末的颗粒加以放大又会有怎样的结果呢?于是，我们取直径约3mm的锌粒和长度约3cm的普通铁钉進行测试，此时金属们都“乖乖现形”了!如表4：
接下来，再对薄膜状金属、片状金属、块状金属進行探测。实验对象为铝箔、银箔、锌片、铜片、铁块、铜块等。其中，银箔来自于“银镜反应”，直接对内壁附着薄薄一层银箔的试管進行了探测。结果表明，包括薄薄的银箔在内，这些金属再也无一“漏网”了。相关结果如表5：
需顺便交代的是，金属探测仪能透过试管的玻璃壁“觉察”到内壁上银金属的存在，这也说明了，探测金属不一定需要金属处于完全暴露的状态。
正是基于这一点，金属探测仪才能够被广泛地用于检测一些比较隐蔽的违禁物品。
3 与金属状态的关系
物质还有固、液、气等状态的区别。根据实验室现有条件，我们还很难对气态金属進行测试，所以重点研究的对象还是液态和固态金属。
至于液态金属，首选样品是汞。由于汞有毒，为了安全起见，直接对水银温度计中处于封闭状态的水银球進行探测。此外，钠是一种熔点很低的金属，稍稍加热即可熔化，它也是一种较为理想的实验样品。
于是，我们将一些钠块置于试管中(能覆盖住试管底部)，首先对其固体样品進行探测，且测量出具体的可探测距离，而后再将其進行加热，至熔化后趁热再测试。
这里需要说明的是，为控制变量，两次实验中所使用的金属钠质量不变，横截面积相同(相当于试管底部的面积)。结果如表6：
注：探测距离为0，即指直到样品進入探测环的中心位置才可被探测到。该实验中，对汞的探测灵敏度之所以不高可能与金属本身的性质有关，也可能与水银球体积和质量太小有关。
另2组实验则能充分表明，当金属处于液态时探测灵敏度会降低。依此类推，金属处于气态时，探测灵敏度可能会進一步降低，甚至几乎探测不到(粉末状固体即已无法探测，何况气态物质的粒子更小)。
此外，金属的状态还可以从纯度等方面加以区分。例如，合金即为不纯的金属，对合金探测的效果又会怎样呢?于是，我们取黄铜屑(大颗粒)進行了实验，结果，这些颗粒状合金无法被探测到。可见，对合金的探测灵敏度也是很低的。
4 与金属质量的关系
仍取锌粒進行研究。为控制变量，把不同质量的锌粒分别装入三只相同规格的试管中，向着试管的底部垂直探测，确保被探测物的横截面积相同。结果如表7：
结论是，金属质量越大，越易被探测到。
5 与金属体积的关系
要探究与体积之间的关系，本应再设计实验，但是对刚才的实验从另一个角度审视：试管中金属质量增大的同时，体积其实也相应变大了，所以，也可以认为，金属的体积越大，越易被探测到。
6 与金属面积的关系
以铜片为实验材料，将铜片分别剪成4个直径为1cm、2cm、4cm和8cm的圆形，以改变面积。
初步看来，金属材料的面积越大，检测的灵敏度越高。但是，我们又立即发现：铜片面积增大的同时，其质量、体积也同步增大了，这反而是佐证了前述两个类别实验的猜想与结论。 如何改進实验?我们还是想到了锌粒，首先确保所选取的锌粒总量不变，再将这些锌粒分别堆放在面积不等的圆当中。最初，圆的面积很小，锌粒的堆放方式是相互重叠的，其后再逐步地平铺开来。
结果表明，不同情形下的探测距离并没有产生多少明显变化，这的确证明了，金属面积增大所导致的探测灵敏度增大在本质上还是金属的量变多了。
7 与带电情况的关系
定性方面，首先以某用电器的电源线为研究对象，对其在断电和通电两种状态下進行测试。结果表明，无电流通过时，金属导线无法被探测出，而通电状态的导线则可以被探测到。当然，这个实验也从另一个角度说明，细长形状的金属也不容易被探测到。
定量方面，需考虑：探测灵敏度与电流的强度之间，与电流的直流、交流方式之间有怎样的关系。为此，将学生电源、滑动变阻器、电流表和一根细长铜导线進行串联，通过滑动变阻器来调节导线中的电流强度。结果如下：
注：通过0.5A交流电时，只有将导线适当卷曲使之穿过探测圈后，才能被探测到。
该实验能基本表明，导线中电流强度越高越容易被探测到，交流电的强度达到一定水平之后，探测灵敏度能明显增大。
8 与辐射场的关系
我们知道，电流周围存在电磁场，而变化的电流周围还存在着电磁波，电流强度对探测结果的影响也许就和电磁辐射的强度有关。而当今，电磁辐射的污染问题日益受到重视，金属探测仪能不能反映出不同电器的辐射强度呢?我们选择了电脑和手机等使用频率较高的辐射“大户”進行了测试。
首先选择两款手机，探测结果如下：
结果表明，手机在通话状态时被探测的灵敏度明显增加，而其他状态之间的差异不太大。此外，诺基亚手机在开机之后的探测灵敏度都要大于关机状态时，可见手机一旦开机周围就可能存在辐射。
我们再对电脑進行探测。电脑工作时主机和显示器都可能存在辐射，而CRT(阴极射线管)显示器和LCD(液晶)显示器在辐射方面可能存在差异，故分别加以测试，结果如下：
不难看出，电脑主机和显示器在工作时的探测灵敏度都要大于关机状态时，可见电脑工作时周围应该存在辐射。当然，从数据来看，它们之间的差异多数情形下并不大，只有老式的CRT显示器比较特别，它的正面在工作状态时辐射量明显增大。
9 与探测方式的关系
以上实验改变的变量都是样品，而探测方式本身是否也会对探测结果造成影响呢?
取同样的试样，分别以快速纵向、慢速纵向、快速横向、慢速横向四种方式進行探测(注：“快速”仅是相对的，不是“飞速”)，结果如下表：
结果表明，在一般情形下，金属探测仪的扫描方向和速度对实验结果没有太大的影响。但是，我们也注意到，对于一些本身被探测的灵敏不高的物品，如果扫描速度过快，也还是会出现检测不出的情况。
四、结论与建议
1 结论
系列实验使我们最终形成这样的结论：在物质探测方面，金属探测仪是一种仅能对金属单质進行探测的仪器，它在实际运用中并不能做到万无一失，需要考虑金属的诸多性质和状态，而且，探测的方式也在一定程度上对结果造成影响；此外，金属探测仪也可用于辅助判断电磁场的存在。
2 建议
应在对金属探测仪功能、性能有所认识的基础上去使用该设备，且应充分考虑到不同的场合，以提高实际探测的准确性、精确性。
例如，运用在考场探查作弊工具时，则应特别仔细、谨慎，有些作弊工具中所含金属量本身很少，一旦扫描不仔细，或者探测仪离物品的距离较远，都可能探测不到。
至于探测方式，则应以靠近被探测者身体且选择较快速的横向扫描方式为好。虽然横向与纵向扫描之间差异不大，但是纵向扫描一次所能探测的仅是一个点，而横向扫描一次则能探测到一个面。
当然，根据以上实验，当金属导线很细小，通讯工具处于非工作状态时，其本身就很难或根本就探测不到，这提醒我们，不能完全依赖这一种工具和监控方式。首先，监考的过程要严格、细致，其次，场外最好再配备一些灵敏度更高的无线电波探测装备，以便在考试过程中发现违规通讯行为。
再如，在生活中，手机等电器在工作状态时辐射水平很高，我们借助金属探测仪可以半定量地加以探测。为了身体健康，应尽量远离辐射源，减少对电磁辐射的吸收。尤其是使用电脑时，CRT显示器正前方的辐射量较大，使用一段时间后要注意适当休息。
