代　戰(zhàn)　戴　瑞　隋玲玉

(東北師范大學(xué)物理學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春　130024)

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大學(xué)生園地

電磁小火車(chē)運(yùn)動(dòng)原理分析

代戰(zhàn)戴瑞隋玲玉

(東北師范大學(xué)物理學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春130024)

電磁小火車(chē)題目來(lái)自2016年IYPT中的一道題目，介紹了一個(gè)兩端扣有紐扣磁鐵的干電池可以在螺繞環(huán)中運(yùn)動(dòng)，吸引了很多中學(xué)生的注意，學(xué)生對(duì)此很感興趣，迫切想要了解其中的物理知識(shí).這個(gè)現(xiàn)象與高中所學(xué)的電磁學(xué)知識(shí)緊密相關(guān),而且電磁學(xué)知識(shí)是高考中很重要的知識(shí).本文介紹了電磁小火車(chē)的制作方法，并運(yùn)用高中知識(shí)解釋了小火車(chē)的運(yùn)動(dòng)原理，有助于學(xué)生理解電與磁之間的相互作用，加深對(duì)高中電磁學(xué)知識(shí)的理解，以期提高學(xué)生運(yùn)用物理知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力.

電磁；螺繞環(huán)；磁場(chǎng)

1　電磁小火車(chē)的構(gòu)造

制造材料：一節(jié)干電池(5號(hào))、4個(gè)紐扣磁鐵(兩個(gè)直徑15mm和兩個(gè)直徑10mm)、銅線(xiàn)若干(直徑1mm，全裸).

制作方法：將一個(gè)直徑15mm的紐扣磁鐵和一個(gè)直徑10mm的紐扣磁鐵按圖1所示分別扣在干電池的兩端，注意紐扣磁鐵朝向電池的極性要

相同，這樣制成小火車(chē).銅線(xiàn)繞成的螺繞環(huán)是小火車(chē)的軌道(螺繞環(huán)是直螺繞環(huán)，也可以彎曲)，制作時(shí)可以將銅線(xiàn)繞在一個(gè)圓柱形棒上，注意直螺繞環(huán)的直徑要大于磁鐵的直徑，銅線(xiàn)要按一定的方向纏繞，纏繞一定的長(zhǎng)度即可，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)由于銅線(xiàn)的韌性，每匝之間會(huì)有一個(gè)小縫隙，使得每?jī)稍阎g沒(méi)有直接接觸，這也為形成電磁鐵提供了條件.制作完成如圖1所示：

圖1　小火車(chē)成品圖

2　電磁小火車(chē)的運(yùn)動(dòng)原理分析

下文以紐扣磁鐵的N極指向電池制成的小火車(chē)和直螺繞環(huán)為例來(lái)分析原理.從右側(cè)看去直螺繞環(huán)中銅線(xiàn)按順時(shí)針?lè)较蚶@制，其他情況分析方式相同.本文將小火車(chē)進(jìn)入直螺繞環(huán)分為3個(gè)階段來(lái)分析.

2.1小火車(chē)剛要進(jìn)入直螺繞環(huán)階段

小火車(chē)剛進(jìn)入直螺繞環(huán)時(shí)是電池正極端的紐扣磁鐵S極進(jìn)入，由圖2可知：磁鐵進(jìn)入時(shí)，直螺繞環(huán)的磁通量增加，由楞次定律，螺繞環(huán)會(huì)產(chǎn)生反方向的磁通量，即磁鐵會(huì)受到一定的阻力，但是由于手給予的推力，小火車(chē)可以順利地進(jìn)入直螺繞環(huán).這里需要說(shuō)明的是：由于直螺繞環(huán)是由銅線(xiàn)環(huán)繞而成，每一匝之間都有縫隙，所以在很大程度上減小了感應(yīng)電流的產(chǎn)生，以至于阻礙的作用沒(méi)有磁鐵在銅管中那么明顯，筆者在操作時(shí)也發(fā)現(xiàn)，剛要進(jìn)入時(shí)楞次定律的阻礙效應(yīng)幾乎感受不到.

圖2　小火車(chē)進(jìn)入時(shí)分析圖

2.2小火車(chē)進(jìn)入直螺繞環(huán)階段

當(dāng)小火車(chē)進(jìn)入直螺繞環(huán)后，由于電池的正負(fù)極都與紐扣磁鐵相連，而磁鐵又具有導(dǎo)電性，所以電池和磁鐵與直螺繞環(huán)接觸的部位就形成了通路，電流的方向從正視圖看是向上的，如圖3所示，這也是小火車(chē)獲得動(dòng)力的本質(zhì)原因，解釋這個(gè)力有兩種方法，筆者分別加以闡述.

圖3　小火車(chē)進(jìn)入后分析圖

圖4　受力原理分析圖

第一種解釋?zhuān)阂砸辉崖菥€(xiàn)圈為例介紹，由于通電線(xiàn)圈處于紐扣磁鐵的N極磁場(chǎng)中，將N極產(chǎn)生出的磁感線(xiàn)分為平行于螺繞環(huán)中心軸和垂直于螺繞環(huán)中心軸的兩個(gè)方向，對(duì)產(chǎn)生水平方向力有作用的是垂直于螺線(xiàn)圈中心軸方向的磁感線(xiàn)；如圖4所示，利用左手定則，四指指向電流的方向，電流方向沿螺線(xiàn)圈向上，磁感線(xiàn)穿過(guò)手心，可知螺線(xiàn)圈受到的力的方向向右，利用牛頓第三定律可知：小火車(chē)受到的力向左，力的大小為所有通電線(xiàn)圈所受力的合力，所以小火車(chē)會(huì)向左運(yùn)動(dòng).有時(shí)在向里推的時(shí)候會(huì)受到阻力，小火車(chē)好像在向外倒退，這是由于小火車(chē)在螺繞環(huán)中電磁鐵的磁極與磁鐵的磁極相互排斥，在我們?cè)O(shè)想的運(yùn)動(dòng)中充當(dāng)?shù)氖亲枇?，以這個(gè)例子來(lái)說(shuō)，就相當(dāng)于我們把電池負(fù)極相連的紐扣磁鐵放入螺繞環(huán)時(shí)，它就會(huì)倒退.

第二種解釋?zhuān)寒?dāng)小火車(chē)進(jìn)入直螺繞環(huán)后，由于電池的正負(fù)極都與磁鐵相連，而磁鐵又具有導(dǎo)電性，所以電池和磁鐵與螺繞環(huán)接觸的部位就形成了通路，那么連通的那段螺繞環(huán)就形成了一個(gè)電磁鐵，根據(jù)安培定則，如圖5，可以判斷出通電螺繞環(huán)左端為N極，右端為S極，從圖中我們可以看出右端同名磁極相互排斥，左端異名磁極相互吸引，在磁極的相互作用下小火車(chē)向左運(yùn)動(dòng).

圖5　磁極分析圖

2.3小火車(chē)離開(kāi)直螺繞環(huán)階段

小火車(chē)離開(kāi)螺繞環(huán)時(shí)，如圖6，只有電池負(fù)極的磁鐵在螺繞環(huán)中，磁鐵通過(guò)螺繞環(huán)的磁通量減少，由楞次定律知，螺繞環(huán)會(huì)產(chǎn)生反方向的磁通量，即磁鐵會(huì)受到一定的阻力，但是由于慣性，小火車(chē)可以順利地離開(kāi)螺繞環(huán).這里同樣發(fā)現(xiàn)楞次

圖6　小火車(chē)出來(lái)時(shí)分析圖

定律的阻礙作用微乎其微，基本感受不到.

3　結(jié)語(yǔ)

筆者通過(guò)本文分析電磁小火車(chē)運(yùn)動(dòng)的原理，

目的在于希望中學(xué)生在學(xué)習(xí)了物理知識(shí)后，可以理論聯(lián)系實(shí)際，運(yùn)用物理知識(shí)解釋生活中的一些現(xiàn)象，同時(shí)也希望中學(xué)生可以運(yùn)用自身所學(xué)的物理知識(shí)制作一些作品，例如本文中的電磁小火車(chē).這樣不僅可以鍛煉動(dòng)手能力，同時(shí)也可以把相關(guān)的知識(shí)理解得更為透徹，在一定程度上激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理知識(shí)的積極性.

[1]劉傳先，夏義琴.論電磁相互作用力的產(chǎn)生[J].阜陽(yáng)師范學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),1993,20(2):8-9.

[2]趙凱華，陳熙謀.電磁學(xué)[M].北京:高等教育出版社，2011：251-254.

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ANALYSISONTHEPRINCIPLEOFELECTROMAGNETICSMALLTRAIN

DaiZhanDaiRuiSuiLingyu

(PhysicsSchool,NortheastNormalUniversity,Changchun,Jilin130024)

Theissueoftheelectromagneticsmalltraincamefromaquestionin2016IYPT,whichintroducedaphenomenonthatadrycellwiththebuttonmagnetattwoendscouldmoveinthetoroid.Thisphenomenonattractedtheattentionsofmanymiddleschoolstudents,whohadgreatinterestonthisproblemandurgentlywantedtounderstandtheinsidephysicalknowledge.Indeed,thisphenomenoniscloselyrelatedtotheknowledgeofelectromagnetismstudiedinseniorhighschool,andtheelectromagneticknowledgeisaveryimportantpartofknowledgeincollegeentranceexamination.Thispaperintroducesthemakingmethodoftheelectromagnetictrainandexplainstheprincipleofthemotionofthetrainbyusingtheknowledgelearnedinseniorhighschool.Ithelpsstudentsunderstandtheinteractionbetweenelectricityandmagnetism,anddeepentheirunderstandingoftheelectromagnetismknowledgelearnedinhighschool,inordertoimprovestudents’abilitytosolvepracticalproblemswiththeirphysicalknowledge.

electromagnetism;toroid;magneticfield

2015-12-18;

2016-02-02

東北師范大學(xué)物理學(xué)院實(shí)驗(yàn)儀器研發(fā)項(xiàng)目(No.20150107).

戴瑞，女，副教授，主要從事光學(xué)的科研與教學(xué)研究.dair986@nenu.edu.cn

引文格式: 代戰(zhàn),戴瑞,隋玲玉. 電磁小火車(chē)運(yùn)動(dòng)原理分析[J]. 物理與工程，2016，26(3)：71-72，77.