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        怎樣判定磁鐵沿鋁板下滑時(shí)的旋轉(zhuǎn)方向

        2019-11-07 09:02:38辜金星
        物理通報(bào) 2019年11期
        關(guān)鍵詞:方向

        辜金星

        (浙江省杭州第九中學(xué) 浙江 杭州 310020)

        1 問(wèn)題的發(fā)現(xiàn)

        在演示渦流及渦流阻礙相對(duì)運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象時(shí),我們同時(shí)讓強(qiáng)磁鐵圓片和奶片(非磁性物體)沿鋁合金板構(gòu)成的斜面下滑,發(fā)現(xiàn)強(qiáng)磁鐵圓片要慢許多.同時(shí),觀察細(xì)致的學(xué)生還會(huì)發(fā)現(xiàn)強(qiáng)磁鐵圓片下滑時(shí)有時(shí)是旋轉(zhuǎn)的.于是課后師生共同展開(kāi)了進(jìn)一步的研究.

        2 實(shí)驗(yàn)器材

        強(qiáng)磁鐵圓片(圓柱體直徑約12 mm,厚約4 mm,先已確定兩個(gè)圓面的N和S極)1片,奶片1片,鋁合金板(長(zhǎng)約1 200 mm,寬約120 mm,厚度適中)1塊,支架,指南針等.

        3 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

        將鋁合金板固定在支架上,調(diào)整傾角,形成一個(gè)傾角大約為75°左右的斜面.讓強(qiáng)磁鐵圓片的一個(gè)圓面貼緊鋁合金板從上端無(wú)初速度滑下,可以觀察到以下物理現(xiàn)象.

        (1)無(wú)論鋁合金板斜面是東西方向還是南北方向放置,也無(wú)論貼緊鋁合金板的強(qiáng)磁鐵圓面是N極還是S極,強(qiáng)磁鐵圓片都是緩慢的下滑,比奶片等非磁性物體的下滑要慢了許多.

        (2)鋁合金板斜面沿南北方向放置,無(wú)論斜面是南高北低還是南低北高,也無(wú)論貼緊鋁合金板的強(qiáng)磁鐵圓面是N極還是S極,強(qiáng)磁鐵圓片下滑時(shí)都不會(huì)旋轉(zhuǎn).

        (3)鋁合金板斜面沿東西方向放置,無(wú)論斜面是東高西低還是東低西高,也無(wú)論貼緊鋁合金板的強(qiáng)磁鐵圓面是N極還是S極,強(qiáng)磁鐵圓片下滑時(shí)都會(huì)旋轉(zhuǎn),具體的旋轉(zhuǎn)方向如表1所示.

        表1 強(qiáng)磁鐵圓片下滑時(shí)的旋轉(zhuǎn)方向

        4 相關(guān)解釋

        (1)強(qiáng)磁鐵圓片沿鋁合金板斜面的下滑為什么是“緩慢”的?

        強(qiáng)磁鐵圓片沿鋁合金板斜面下滑時(shí),在鋁合金板內(nèi)有磁通量的變化,形成了渦流,這些渦流便會(huì)對(duì)強(qiáng)磁鐵圓片產(chǎn)生力的作用,即相當(dāng)于施加一個(gè)沿斜面向上的磁場(chǎng)力F磁,其效果是“挽留”下滑的強(qiáng)磁鐵圓片,對(duì)于強(qiáng)磁鐵而言,這種“挽留”的效果是相當(dāng)?shù)拿黠@.

        對(duì)強(qiáng)磁鐵圓片下滑時(shí)的受力情況可以用圖1作初步的分析.設(shè)斜面的動(dòng)摩擦因數(shù)為μ,斜面與水平面夾角為θ,于是,強(qiáng)磁鐵圓片下滑時(shí)的加速度為

        對(duì)于非磁性物體,由于不存在這些渦流,也就不會(huì)受到磁場(chǎng)力F磁的作用,其下滑時(shí)的加速度僅為

        a非=gsinθ-μgcosθ

        因?yàn)閍磁

        圖1 強(qiáng)磁鐵圓片下滑時(shí)的受力分析

        (2)鋁合金板斜面沿南北方向放置,強(qiáng)磁鐵圓片的下滑為什么都不會(huì)旋轉(zhuǎn)?

        鋁合金板斜面沿南北方向放置,強(qiáng)磁鐵圓片除了受到上述分析的力之外,還受到地磁場(chǎng)的作用,N極受到向北的作用力,S極受到向南的作用力,這樣的一對(duì)力對(duì)于強(qiáng)磁鐵圓片的運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生一定的影響.

        當(dāng)鋁合金板斜面南低北高,若強(qiáng)磁鐵圓片S極貼緊鋁合金板下滑時(shí),強(qiáng)磁鐵圓片的受力情況可用圖2來(lái)示意.強(qiáng)磁鐵圓片與斜面極端的接觸及受力作用情況可用圖3來(lái)示意,壓力的作用點(diǎn)可視為上側(cè)的底邊緣點(diǎn),強(qiáng)磁鐵圓片的下滑只可能有些搖擺,但不會(huì)旋轉(zhuǎn).若N極貼緊鋁合金板下滑時(shí),強(qiáng)磁鐵圓片與斜面極端的接觸及受力作用情況可用圖4來(lái)示意,壓力的作用點(diǎn)可視為下側(cè)的底邊緣點(diǎn),強(qiáng)磁鐵圓片的下滑也只可能有些搖擺,但不會(huì)旋轉(zhuǎn).

        圖2 鋁合金板南低北高放置,強(qiáng)磁鐵S極貼緊板面

        圖3 鋁合金板南低北高放置,強(qiáng)磁鐵S極即將離開(kāi)板面

        圖4 鋁合金板南低北高放置,強(qiáng)磁鐵N極即將離開(kāi)板面

        (3)鋁合金板斜面沿東西方向放置,強(qiáng)磁鐵圓片的下滑為什么都會(huì)旋轉(zhuǎn)?

        若鋁合金板斜面沿東西方向東低西高放置,當(dāng)強(qiáng)磁鐵圓片S極貼緊鋁合金板下滑時(shí),強(qiáng)磁鐵圓片與斜面極端的接觸及受力作用情況可用圖5來(lái)示意,壓力的作用點(diǎn)可視為正北側(cè)的底邊緣點(diǎn).此時(shí),正北側(cè)底邊緣點(diǎn)的摩擦相對(duì)較大,而正南側(cè)底邊緣點(diǎn)的摩擦相對(duì)較小,可理解為正北側(cè)底邊緣點(diǎn)的下滑受阻明顯,而正南側(cè)底邊緣點(diǎn)的下滑幾乎沒(méi)有什么阻礙,于是強(qiáng)磁鐵圓片便會(huì)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)下去.

        圖5 鋁合金板沿東西向放置,強(qiáng)磁鐵圓片S極即將離開(kāi)板面

        關(guān)于表1中另外3種旋轉(zhuǎn)情況的解釋,都與上述情況類似,這里不再贅述.

        5 幾點(diǎn)說(shuō)明

        (1)除了沿東西和南北方向放置鋁合金板斜面之外,其余方向上的下滑情況相對(duì)較為復(fù)雜一些,但均可用上述的解釋方法去處理,在這就不作詳細(xì)討論了.

        (2)我們把本實(shí)驗(yàn)從北半球搬運(yùn)到南半球的澳大利亞重做,發(fā)現(xiàn)結(jié)論不變.這說(shuō)明用地磁場(chǎng)的影響來(lái)解釋相關(guān)現(xiàn)象是正確的,與地球的轉(zhuǎn)動(dòng)無(wú)關(guān).

        (3)應(yīng)該支持和鼓勵(lì)學(xué)生廣泛開(kāi)展類似的科學(xué)探究活動(dòng),增強(qiáng)動(dòng)手能力,提高分析和解決問(wèn)題的能力,鍛煉思維能力、創(chuàng)新能力,提升核心素養(yǎng).

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