用磁性畫(huà)寫(xiě)板做物理實(shí)驗(yàn)的新設(shè)計(jì)

摘要：介紹用磁性畫(huà)寫(xiě)板做的幾個(gè)物理實(shí)驗(yàn)。材料易得、制作簡(jiǎn)單，效果顯著，可加深學(xué)生對(duì)物理知識(shí)的理解。

關(guān)鍵詞：磁性畫(huà)寫(xiě)板；平拋運(yùn)動(dòng)；斜拋運(yùn)動(dòng)；離心運(yùn)動(dòng)；簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)

中圖分類(lèi)號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-6148(2008)11(S)-0054-2

目前，市面上有很多商店都出售磁性畫(huà)寫(xiě)板，兒童們都喜歡購(gòu)買(mǎi)來(lái)畫(huà)畫(huà)或?qū)懽?。在物理教學(xué)中，我們也可以用磁性畫(huà)寫(xiě)板的特殊性質(zhì)來(lái)做一些中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，不但方便易行，而且效果相當(dāng)不錯(cuò)。

1 磁性寫(xiě)畫(huà)板的結(jié)構(gòu)

磁性畫(huà)寫(xiě)板所用的“筆”，實(shí)質(zhì)上是一段強(qiáng)磁性小磁鐵棒鑲嵌在塑料桿一端，所用的“畫(huà)擦”，實(shí)質(zhì)上也是一根磁鐵棒片，安裝在畫(huà)寫(xiě)板的下面.工作原理是利用磁鐵具有吸引碎鐵屑作用。寫(xiě)字時(shí)，磁性畫(huà)筆把細(xì)鐵屑吸引在畫(huà)寫(xiě)板的上表面，從而留下“字跡”，擦去時(shí)是靠磁鐵片把細(xì)鐵屑吸引在下內(nèi)表面，從而使上面的字跡消除。下面，筆者例舉幾例用磁性畫(huà)寫(xiě)板做的物理實(shí)驗(yàn)。

2 磁性寫(xiě)畫(huà)板做物理實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)

2.1 做平拋運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)

對(duì)于平拋運(yùn)動(dòng)，我們?nèi)粘Ｉ钪胁⒉簧僖?jiàn)，但對(duì)于平拋運(yùn)動(dòng)的軌跡，我們往往是做了實(shí)驗(yàn)后畫(huà)出的。若能在物體做平拋運(yùn)動(dòng)的同時(shí)留下軌跡，則對(duì)平拋運(yùn)動(dòng)的軌跡是曲線會(huì)理解得更加具體、深刻，使人易于接受。

把磁性畫(huà)寫(xiě)板的細(xì)短磁鐵棒取下，把它插在刻有兩道光滑凹槽的質(zhì)量均勻的圓銅柱一端。用鐵絲做一平行軌道，軌道寬度與兩凹槽間的距離相等。將軌道加工成斜角形，水平部分約占全長(zhǎng)的四分之一，傾斜部分占全長(zhǎng)的四分之三。把磁性畫(huà)寫(xiě)板豎立起來(lái)加以固定，調(diào)整軌道在合適位置處，使圓銅柱從軌道上滑出。做平拋運(yùn)動(dòng)過(guò)程中磁棒始終與畫(huà)寫(xiě)板平面保持垂直且相距1mm左右。那么，當(dāng)圓銅柱從規(guī)道上滑出做平拋運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，磁鐵棒就會(huì)在畫(huà)寫(xiě)板上自動(dòng)“畫(huà)”出物體做平拋運(yùn)動(dòng)的軌跡（如圖1）。

2.2 做斜拋運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)

在物理教材中，關(guān)于斜拋運(yùn)動(dòng)的演示實(shí)驗(yàn)，大都用噴出的水流代替斜拋體來(lái)演示。但水流過(guò)后，斜拋體的運(yùn)動(dòng)軌跡也隨之消失，不便于研究斜拋運(yùn)動(dòng)的軌跡，特別是在研究斜拋物體的射程和射高跟初速度和拋射角的關(guān)系時(shí)，不易形成直觀的對(duì)比分析，不便于通過(guò)討論分析得到直觀的結(jié)論。若用磁性畫(huà)寫(xiě)板，就可做成較為理想的斜拋運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)。

整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置同圖1相似，只不過(guò)鐵絲做成的平行軌道彎成的傾角要適當(dāng)，并且可在一定角度范圍內(nèi)調(diào)節(jié)（如圖2）。

（1）演示斜拋運(yùn)動(dòng)軌跡

讓圓銅柱從左邊軌道上某一位置滑下，在其離開(kāi)右邊軌道后就做斜拋運(yùn)動(dòng)，磁鐵棒就會(huì)在畫(huà)寫(xiě)板上自動(dòng)畫(huà)出斜拋運(yùn)動(dòng)的軌跡。

（2）演示斜拋運(yùn)動(dòng)射程和射高跟初速度的關(guān)系

保持右邊軌道傾角不變，即保持斜拋體拋射角不變，讓圓銅柱從左邊軌道上不同高度處由靜止滑下。就可得到當(dāng)拋射角不變，初速度不同時(shí)，斜拋物體的運(yùn)動(dòng)軌跡。對(duì)比分析得到斜拋運(yùn)動(dòng)射程和射高跟初速度的關(guān)系。

（3）演示射程和射高跟拋射角的關(guān)系。

改變右邊軌道的傾角，即改變拋射角大小，讓圓銅柱從左邊軌道上同一位置滑下，就可得到初速度相同而拋射角不同時(shí)斜拋物體的運(yùn)動(dòng)軌跡。對(duì)比分析得到斜拋運(yùn)動(dòng)的射程和射高跟拋射角的關(guān)系。

2.3 演示離心運(yùn)動(dòng)軌跡實(shí)驗(yàn)

離心運(yùn)動(dòng)是當(dāng)物體受到的向心力突然消失，物體就沿圓周切線方向飛去，做離圓心越來(lái)越遠(yuǎn)的運(yùn)動(dòng)。但在合外力不足以提供物體做圓周運(yùn)動(dòng)所需的向心力時(shí)，物體將會(huì)逐漸遠(yuǎn)離圓心運(yùn)動(dòng)，其軌跡是一條曲線。可巧用磁性畫(huà)寫(xiě)板使學(xué)生在課堂上能直接觀察到此種離心運(yùn)動(dòng)的軌跡。

實(shí)驗(yàn)方法是取一平滑木質(zhì)圓盤(pán)，大小與磁性畫(huà)寫(xiě)板差不多。在圓盤(pán)的中心處鉆一小孔（孔的直徑等于轉(zhuǎn)軸的外徑），把它安裝在手搖轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)軸上，圓盤(pán)平面垂直于軸線，且圓盤(pán)中心與軸線重合，圓盤(pán)能繞豎直軸旋轉(zhuǎn)。然后把磁性畫(huà)寫(xiě)板固定在圓盤(pán)上，使磁性畫(huà)寫(xiě)板中心與圓盤(pán)中心重合（圖3）所示。然后取一橡皮塊，在橡皮塊中心鉆一小孔，把磁性筆尖嵌入，放在靠近畫(huà)寫(xiě)板中心附近的地方，接著轉(zhuǎn)動(dòng)手柄，使轉(zhuǎn)速由慢到快，直到畫(huà)寫(xiě)板與橡皮塊間最大靜摩擦力無(wú)法滿(mǎn)足橡皮塊做圓周運(yùn)動(dòng)的向心力時(shí)，橡皮塊就沿著圓周和切線之間的某條曲線運(yùn)動(dòng)，離圓心越來(lái)越遠(yuǎn)，直至飛離畫(huà)寫(xiě)板。在此過(guò)程中，橡皮塊中的磁性畫(huà)筆就會(huì)自動(dòng)地“畫(huà)”出橡皮塊運(yùn)動(dòng)的軌跡。

2.4 演示簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)圖象

(1)演示彈簧振子的振動(dòng)圖象

實(shí)驗(yàn)裝置如圖4：1為支架；2為掛釘；3為豎直振動(dòng)的彈簧振子，彈簧振子內(nèi)嵌磁性筆尖，且筆尖向里略凸出；4為磁性畫(huà)寫(xiě)板限位槽，用木板和U形鋁合金制成，并將其固定在木支架適當(dāng)高度處，即限位槽木板中心的高度振子靜止時(shí)高度大致相同；5為磁性畫(huà)寫(xiě)板；6為牽引電機(jī)，其電源和開(kāi)關(guān)固定在限位槽木板背面。

實(shí)驗(yàn)時(shí)用手豎直向下拉動(dòng)振子使其離開(kāi)平衡位置適當(dāng)距離后釋放，使振子做簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)。然后接通電源，電機(jī)勻速牽引磁性畫(huà)寫(xiě)板運(yùn)動(dòng)，振子中的磁性筆尖就會(huì)自動(dòng)在畫(huà)寫(xiě)板上\"畫(huà)\"出彈簧振子的振動(dòng)圖象。注意在實(shí)驗(yàn)時(shí)彈簧振子做簡(jiǎn)諧振動(dòng)時(shí)其內(nèi)磁性筆尖與畫(huà)寫(xiě)板保持在1mm左右的距離。

（2）演示單擺的振動(dòng)圖象

實(shí)驗(yàn)裝置如圖5。

實(shí)驗(yàn)時(shí)，把磁性筆尖嵌入單擺擺球中，并略向下凸出。把磁性畫(huà)寫(xiě)板放在擺球下方，使其與磁性筆尖剛好接觸。然后，拉動(dòng)擺球偏離豎直位置（偏角小于5度）后釋放，則單擺就做簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)，然后勻速拉動(dòng)磁性畫(huà)寫(xiě)板，則畫(huà)寫(xiě)板上就會(huì)留下單擺簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的圖象。

上述幾種用磁性畫(huà)寫(xiě)板做的演示實(shí)驗(yàn)，最大的優(yōu)點(diǎn)是可以在極短的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行反復(fù)演示，操作起來(lái)簡(jiǎn)單方便，效果很好。

參考文獻(xiàn)：

［1］楊渠.巧用磁性畫(huà)寫(xiě)板做平拋運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn).物理教學(xué).2000年第8期.

(欄目編輯王柏廬)