陳毓華 許啊清 王燕霞

（1.福建省南安市僑光中學(xué)，福建 南安 362314；2.福建省南安市教師進(jìn)修學(xué)校，福建 南安 362300；3.福建省南安市龍泉中學(xué)，福建 南安 362304）

魯科版高中《物理》必修2第2章第1節(jié)“運(yùn)動(dòng)的合成與分解”提供了一個(gè)迷你實(shí)驗(yàn)“鋼珠在磁鐵吸引下的運(yùn)動(dòng)”，用來演示和說明物體做曲線運(yùn)動(dòng)的條件.這個(gè)實(shí)驗(yàn)在多個(gè)教材版本中也有涉及，教材提供的方案是“推動(dòng)鋼球，讓鋼球在水平桌面上做直線運(yùn)動(dòng)，然后在其運(yùn)動(dòng)軌跡旁邊放一塊磁鐵，觀察其運(yùn)動(dòng)軌跡.”[1]這個(gè)實(shí)驗(yàn)看起來簡單，但是操作上卻不容易，磁鐵擺放位置以及小球運(yùn)動(dòng)速度要配合好才能得到比較理想的曲線，否則要么鋼球被磁鐵吸住，要么小球偏轉(zhuǎn)不明顯，而且用手推動(dòng)小球，可重復(fù)性比較差.許多教師都提出了改進(jìn)意見，比如湯崇和[2]老師利用斜槽來控制小球的速度和運(yùn)動(dòng)方向，利用投影機(jī)展示小球運(yùn)動(dòng)軌跡，取得了比較理想的實(shí)驗(yàn)效果，但是還是沒有解決根本問題.為此，筆者提出另一種思路，希望對大家有所幫助.

1 實(shí)驗(yàn)器材

直徑約2 cm的小鋼球、J2135型碰撞實(shí)驗(yàn)器、自制斜面軌道、紅色速干印臺、薄塑料板、條形磁鐵、圓柱形磁鐵、A4紙若干.

2 實(shí)驗(yàn)步驟

（1）將碰撞實(shí)驗(yàn)器放在水平桌面上，把塑料板墊高，使得磁鐵能放置在塑料板的下面，塑料板放置在碰撞實(shí)驗(yàn)器的出口處，調(diào)整碰撞實(shí)驗(yàn)器的高度，使得小球從碰撞實(shí)驗(yàn)器水平段與塑料板等高，保證小球能平穩(wěn)地從碰撞實(shí)驗(yàn)器滾入塑料板.保持塑料板水平，把A4紙鋪在塑料板上，用夾子固定住，如圖1所示.

圖1 實(shí)驗(yàn)儀器

（2）先不放置磁鐵，用紅色印泥把小球染紅，讓小球從碰撞實(shí)驗(yàn)器的某一高度釋放，小球在紙上留下運(yùn)動(dòng)軌跡Ⅰ.

（3）在塑料板底下、小球運(yùn)動(dòng)軌跡旁合適位置放置磁鐵，讓小球再次從同一高度釋放，小球在紙上留下新的運(yùn)動(dòng)軌跡Ⅱ.

（4）在軌跡Ⅱ彎曲段上選擇若干點(diǎn)標(biāo)記為A、B、C…，把小球放置在所選的軌跡點(diǎn)上，由靜止釋放，小球在磁鐵吸引力的作用下向磁鐵磁極方向移動(dòng)，最終停在S點(diǎn)（小球運(yùn)動(dòng)到磁極附近，由于慣性，不會(huì)馬上停下來，可以做一個(gè)“V”字形擋板，放置在磁極附近，阻擋小球的進(jìn)一步運(yùn)動(dòng)，使得小球運(yùn)動(dòng)到磁極附近馬上停下來，可以得到比較理想的效果）留下痕跡.

（5）在標(biāo)記點(diǎn)上做出曲線的切線，該切線方向?yàn)樾∏蜻\(yùn)動(dòng)到改點(diǎn)時(shí)速度方向，分析小球速度方向、受力的方向以及運(yùn)動(dòng)軌跡3者之間的位置關(guān)系.

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

如圖2所示，沒有放置磁鐵時(shí)，小球沿軌跡Ⅰ做直線運(yùn)動(dòng)；當(dāng)在運(yùn)動(dòng)軌跡附近放置磁鐵時(shí)，小球在磁力作用下做曲線運(yùn)動(dòng)，其軌跡為Ⅱ；圖中S為磁極S極所在位置，AS、BS、CS分別為小球在A、B、C3點(diǎn)受到的磁場力方向；做出A、B、C3點(diǎn)切線方向，容易看出，小球運(yùn)動(dòng)軌跡向力的方向彎曲.在A點(diǎn)，力與速度夾角小于90°，磁場力做正功，小球做加速運(yùn)動(dòng)；在B、C點(diǎn)，力與速度夾角大于90°，磁場力做負(fù)功，小球做減速運(yùn)動(dòng).

圖2 小球運(yùn)動(dòng)軌跡1

把磁鐵平行放置在小球運(yùn)動(dòng)軌跡旁，可以看到小球發(fā)生兩次偏轉(zhuǎn)，如圖3所示（圖中N、S為條形磁鐵磁極所在位置）.在N極向下偏，而運(yùn)動(dòng)到S極又向上偏了，這個(gè)實(shí)驗(yàn)更能說明物體做曲線運(yùn)動(dòng)的條件.

圖3 小球運(yùn)動(dòng)軌跡2

4 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

仔細(xì)觀察圖2和圖3，其實(shí)，小球大部分時(shí)間都是做直線運(yùn)動(dòng)，軌跡彎曲只是少部分，這是由于條形磁鐵磁場分布所決定的.為了得到更好的實(shí)驗(yàn)效果，可以使用圓柱形磁鐵，如圖4所示（本次實(shí)驗(yàn)中使用的直徑1.5 cm，高為1 cm的釹鐵硼強(qiáng)磁鐵）.實(shí)驗(yàn)前，先把磁鐵吸附在水平鐵板上，起到固定作用，再在磁鐵上方放置塑料板和A4紙，在磁場力作用下，小球靜止于S點(diǎn)，此處即為磁場磁極，然后，使小球逐步遠(yuǎn)離S點(diǎn)，靜止釋放，直到釋放小球時(shí)，小球不再移動(dòng)，得到磁力作用的最大距離（本次實(shí)驗(yàn)為4 cm）.以S為圓心、磁力作用最大距離為半徑做圓可以確定磁場的作用范圍.在此范圍內(nèi)越靠近圓心，磁力越大，方向都是指向圓心.調(diào)整軌道出口，使得小球從合適的位置以一定的速度進(jìn)入磁場作用范圍.

圖4 裝置示意圖

從圖5可以很容易得出小球在磁場邊界外運(yùn)動(dòng)軌跡是直線，小球做直線運(yùn)動(dòng)，進(jìn)入磁場邊界，在磁場力作用下小球做曲線運(yùn)動(dòng)，可以觀察到小球進(jìn)入磁場時(shí)先做加速運(yùn)動(dòng)再做減速運(yùn)動(dòng).通過實(shí)驗(yàn)還可以得出：質(zhì)量相同的小球，速度越小，其軌跡彎曲得越厲害；選擇不同質(zhì)量的小球，讓小球從同一位置釋放，可以得到不同的曲線，質(zhì)量越小，軌跡彎曲得越厲害.這個(gè)實(shí)驗(yàn)可以用來模擬帶電粒子在點(diǎn)電荷電場中運(yùn)動(dòng)的情況.

圖5 小球運(yùn)動(dòng)軌跡3

例題.如圖6所示，一帶正電的點(diǎn)電荷固定于O點(diǎn)，兩虛線圓均以O(shè)為圓心，兩個(gè)帶相同電量的帶電粒子M、N先后從同一位置沿相同方向進(jìn)入電場，實(shí)線Mab、Ncd分別為帶電粒子M、N在電場中運(yùn)動(dòng)的軌跡，a、b、c、d為軌跡和虛線圓的交點(diǎn).不計(jì)重力，下列說法錯(cuò)誤的是

圖6

（A）粒子M、N均帶正電荷.

（B）粒子M的初速度小于粒子N的初速度.

（C）粒子M的加速度先增大后減小.

（D）粒子N的動(dòng)能先增大后減小.

解析：這是一道典型例題，但是許多學(xué)生對電場感到很陌生，對帶電粒子運(yùn)動(dòng)分析存在一定的困難，我們可以利用圓柱形磁鐵來模擬點(diǎn)電荷電場，用小球模擬帶電粒子，通過實(shí)驗(yàn)來演示，幫助學(xué)生理解題目.由于粒子質(zhì)量未知，有可能兩粒子速度相同，而N的質(zhì)量比較大，本題選（B）.

5 拓展應(yīng)用

本實(shí)驗(yàn)裝置還可以用來探究物體做圓周運(yùn)動(dòng)的條件.實(shí)驗(yàn)裝置如圖7所示，把磁鐵放置在礦泉水瓶蓋的圓心處，吸附在鐵板上（事先在鐵板上放一張白紙），把斜面軌道放置在礦泉水瓶蓋外側(cè)，讓小球從斜面上滾下，速度方向剛好與磁場力方向垂直（小球離開軌道后，及時(shí)撤去斜面），實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8所示.

圖7 實(shí)驗(yàn)裝置

圖8 小球運(yùn)動(dòng)軌跡4

當(dāng)小球從比較低的地方釋放時(shí)，小球速度比較小，在磁場力和瓶蓋彈力作用下，小球沿瓶蓋做圓周運(yùn)動(dòng)；逐步提高小球釋放高度，當(dāng)小球速度達(dá)到一定值時(shí)，磁場力不足于提供小球做圓周運(yùn)動(dòng)的向心力時(shí)，小球做離心運(yùn)動(dòng)，參考軌跡Ⅱ、軌跡Ⅲ；在磁鐵上方蓋上塑料板，再墊一張白紙，讓小球從斜面上滾下，速度較小時(shí)可以觀察到軌跡Ⅳ，這是因?yàn)榇帕Υ笥谛∏蜃鰣A周運(yùn)動(dòng)所需要的向心力，小球做向心運(yùn)動(dòng)，軌跡Ⅳ可以用來定性說明人造衛(wèi)星在空氣阻力作用下降落到地球表面時(shí)的運(yùn)動(dòng)情況.