耿宜宏

（江蘇省前黃高級中學(xué)，江蘇 常州 213161）

釹鐵硼磁性材料，作為稀土永磁材料發(fā)展的最新成果，由于其優(yōu)異的磁性能而被稱為“磁王”.釹鐵硼和我們平時見到的磁鐵所不同的是一種具有極高的磁能積和矯頑力，同時高能量密度的優(yōu)點使釹鐵硼永磁材料在現(xiàn)代工業(yè)和電子技術(shù)中獲得了廣泛應(yīng)用，從而使儀器、儀表、電聲電機、磁選磁化等設(shè)備的小型化、輕量化、薄型化成為可能.去年我校購進一些小型強磁鐵被應(yīng)用到傳統(tǒng)的演示實驗中，對經(jīng)典的演示實驗進行了改進，取得出人意料的效果.本文通過幾個典型實例來加以說明，以拋磚引玉.

案例1.物體做曲線運動的條件.

人教版高中物理教材必修2第6頁物體做曲線運動的條件演示實驗：一個在水平面上做直線運動的鋼球，從側(cè)面給它一個力，如在鋼球運動路線的旁邊放一塊磁鐵，觀察鋼球的運動.

此實驗大多數(shù)教師不想做，其原因是讓小球從斜面某一高度滾下來，如果速度過大，軌道彎曲不明顯（如圖1所示）；如果速度過小，小鐵球與磁鐵靠得太近又會被磁鐵吸住.改進方法就是在磁鐵一端加上兩塊小的強磁鐵（如圖2所示），讓小球從一定的高度滾時，軌道彎曲現(xiàn)象就很明顯了.另外小球用鼠標內(nèi)的磁性小球，效果更佳.

圖1

圖2

案例2.楞次定律的演示.

人教版高中物理教材選修3-2第14頁第6題討論產(chǎn)生感應(yīng)電流的條件問題，討論的結(jié)果教師通常用演示實驗來驗證.常用的旋轉(zhuǎn)式楞次定律演示器如圖3所示.圖中為兩個很輕的鋁環(huán)，其中一環(huán)閉合，另一環(huán)斷開.將條形磁鐵的N極或S極靠近閉合環(huán)時，閉合環(huán)將朝遠離磁鐵的方向運動，若將磁鐵從閉合環(huán)中拔出，閉合環(huán)將朝靠近磁鐵方向運動；磁鐵靠近或遠離斷開環(huán)時，斷開環(huán)不動.

在演示該實驗時用一根條形磁鐵插入閉合鋁環(huán)時現(xiàn)象并不明顯，主要原因是單匝鋁框的磁通量變化較弱，產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢和感應(yīng)電流不大，因此感應(yīng)電流的磁場不強，原磁場與感應(yīng)電流的磁場作用力不大.為了使演示現(xiàn)象明顯，往往使用兩根條形磁鐵合在一起插入以求產(chǎn)生明顯的效果.但由于圓環(huán)的面積較小，快速插入時金屬環(huán)容易因碰觸而運動，操作上不方便.

圖3

在條形磁鐵的一端加2塊小的強磁鐵（如圖4所示），實驗變得容易多了.當強磁鐵較慢靠近閉合鋁環(huán)時，鋁環(huán)就會因避讓而轉(zhuǎn)動；持續(xù)跟進，鋁環(huán)持續(xù)同向轉(zhuǎn)動；將強磁鐵?？坑阡X環(huán)后再后移，鋁環(huán)又會像個跟屁蟲似的跟著運動；快速轉(zhuǎn)動圓環(huán)時，將強磁鐵介入，圓環(huán)會在磁鐵面前戛然而止.實驗操作簡單，效果好.

圖4

案例3.磁體在銅管的運動.

人教版高中物理教材選修3-2第28頁中有一個練習(xí)題：在科技館中?？吹竭@樣的表演，將一根長1m左右的空心鋁管豎直放置，把一枚磁性很強且直徑略小于鋁管內(nèi)徑的小圓柱永磁體從鋁管上端放入管口.根據(jù)一般經(jīng)驗，小圓柱自由下落1m左右的時間不會超過0.5s，但小圓柱過了許久才從鋁管下端落出.小圓柱在管內(nèi)運動時，沒有感覺到它跟鋁管內(nèi)壁發(fā)生明顯摩擦，把小圓柱靠著鋁管，也不見它們吸引.是什么原因使小圓柱在鋁管中緩慢下落呢？如果換用一條有裂縫的鋁管，小圓柱在其中的下落就快得多.這又是為什么呢？書本插圖如圖5所示.

圖5

圖6

實驗采用有裂縫的鋁管來進行實驗對比，目的是讓學(xué)生理解渦電流的磁場阻礙了相對運動，但尋找或制作實驗所需有裂縫的鋁管是困難的.因此我們采用相同粗細和長度的銅管和塑料管進行實驗對比.如圖6所示，讓強磁鐵塊同時從管的上端由靜止釋放，讓學(xué)生用秒表分別記錄兩個強磁鐵塊的運動時間.現(xiàn)象明顯，效果好.

案例4.磁體在銅管的運動實驗的改進.

上述實驗雖然現(xiàn)象明顯，但學(xué)生看不到兩個強磁鐵的具體運動過程.為此我們又對此實驗做了改進.讓兩個相同的強磁鐵放在同一傾斜的玻璃板上，從同一高度釋放，兩強磁鐵同時到達底邊；當在玻璃板下面放一塊鋁板（如圖7所示），再讓兩強磁鐵從同一高度同時釋放，結(jié)果發(fā)現(xiàn)有鋁板的一邊強磁鐵明顯慢于沒有鋁板的強磁鐵的運動.強磁鐵變慢的原因是因為有鋁板的存在，即渦流的作用結(jié)果，學(xué)生能看到兩強磁鐵的具體運動過程，現(xiàn)象明顯，又優(yōu)于讓強磁鐵在銅管和塑料管看不見的運動.

案例5.電磁驅(qū)動與電磁阻尼.

金屬塊處在變化的磁場中會產(chǎn)生渦電流，渦電流受磁場作用形成電磁驅(qū)動或電磁阻尼現(xiàn)象.圖8是電磁阻尼擺演示儀.用一般實驗室中的鐵氧體U型磁體，經(jīng)過多次磁體的運動才能使鋁板運動起來，同樣要使運動起來的鋁板停止運動，也要經(jīng)過較長的時間.

圖7

圖8

如果在蹄形的磁鐵的內(nèi)側(cè)各加上1個強磁鐵，驅(qū)動和阻尼現(xiàn)象就十分明顯了.如圖8所示，當強磁鐵靠近正在擺動的鋁板時，鋁板馬上停止運動.而靠近梳狀結(jié)構(gòu)的鋁板時，仍然能擺動一段時間停下，對比實驗現(xiàn)象特別明顯.如果將強磁鐵先?？坑阡X板平衡位置處，然后開始沿擺動平面左右移動磁鐵，原本靜止的鋁板就跟著擺動起來.如操控適當，鋁板擺動的幅度會越來越大.這個實驗給學(xué)生留下了電磁驅(qū)動的深刻印象.

由于教學(xué)磁鐵多半是用于學(xué)生分組實驗及教師課堂演示之用，為避免夾傷手指，此類磁鐵均為磁力較小的鐵氧體磁鐵.雖然目前中學(xué)物理實驗室里還沒有配備釹鐵硼磁鋼做成的條形和U形磁鐵，但由于釹鐵硼磁鋼磁場強，體積可以做得小些，重量輕些，作為一種新材料、新器材，在物理實驗中的應(yīng)用正不斷的被開發(fā).

1 申高文.用強磁鐵做電磁學(xué)實驗［J］.物理教師，2009（11）.

2 歐劍雄.高中物理實驗的創(chuàng)新性設(shè)計［J］.物理教學(xué)，2013（11）.

3 耿宜宏.創(chuàng)新演示實驗讓課堂教學(xué)更精彩［J］.物理教師，2014（1）.