半線框電磁秋千

王金權(quán)　朱向陽

(1．江西省贛州市第三中學(xué)，江西　贛州　341000；

2．江西省信豐中學(xué)，江西　贛州　341600)

半線框電磁秋千

王金權(quán)1朱向陽2

(1．江西省贛州市第三中學(xué)，江西贛州341000；

2．江西省信豐中學(xué)，江西贛州341600)

摘要：筆者用半線框代替線圈，不用額外的斷續(xù)通電裝置，實(shí)現(xiàn)了半線框在安培力作用下的持續(xù)振蕩，制作成半線框電磁秋千，并討論了半線框秋千持續(xù)振蕩的原理.

關(guān)鍵詞：安培力；半線框；秋千

電磁秋千通常是利用斷續(xù)通電裝置，使處在磁場中的線圈在斷續(xù)通電過程中受到安培力的作用而獲得動(dòng)能，維持線圈的持續(xù)振蕩.筆者用半線框代替線圈，無需額外增加斷續(xù)通電裝置，設(shè)計(jì)、制作成能使半線框持續(xù)振蕩的秋千.半線框電磁秋千的結(jié)構(gòu)簡單、制作容易，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，用于安培力相關(guān)內(nèi)容的教學(xué)，能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣.

1制作材料裝置結(jié)構(gòu)

透明有機(jī)材質(zhì)光碟盒1個(gè)，單芯銅芯導(dǎo)線(直徑約2mm)1根，釹鐵硼超強(qiáng)磁鐵(3cm×5cm×1cm)1塊，6V蓄電池(或4節(jié)干電池)、螺絲和導(dǎo)線等.圖1是半線框電磁秋千實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)物照片.

圖1

2制作方法

如圖1所示，用長約40cm的銅導(dǎo)線彎折成高約15cm、寬約8cm的半線框.把半線框一端長2cm的線頭彎折90°作水平轉(zhuǎn)動(dòng)軸，另一端焊接長2cm的漆包線作對應(yīng)的水平轉(zhuǎn)動(dòng)軸.把2根長約20cm的銅導(dǎo)線下端分別彎成“O”字形，在光碟盒中部相距10cm處開2個(gè)螺絲孔，用螺絲分別把銅導(dǎo)線豎直固定在光碟盒上，銅導(dǎo)線上端彎成開口的“9”字形，作半線框轉(zhuǎn)動(dòng)軸的支撐架，制成后支撐架高度約15cm.把半線框掛在支撐架的凹弧內(nèi)，讓其自然下垂處于平衡位置，以此狀態(tài)時(shí)漆包線與支撐架接觸點(diǎn)為準(zhǔn)，刮去漆包線半邊(圖1中漆包線的后半邊)的絕緣漆，以便實(shí)驗(yàn)時(shí)靠半邊導(dǎo)通、半邊絕緣，實(shí)現(xiàn)半線框持續(xù)振蕩所需通、斷電流的作用.半線框下方的光碟盒放1塊釹鐵硼超強(qiáng)磁鐵.為了增加實(shí)驗(yàn)的觀賞性，可用記號(hào)筆在玻璃紙上畫一卡通圖，裁剪后用透明膠帶將其固定在半線框上.

3實(shí)驗(yàn)過程

把半線框掛在支撐架的凹弧內(nèi)，讓其自然下垂處于平衡位置，用導(dǎo)線把蓄電池(或4節(jié)干電池)與光碟盒的2個(gè)接線柱(固定支撐架的2顆螺絲)連接起來，通電后半線框便能自行振蕩起來.如果接上電源后半線框不能自行振蕩，可能是漆包線與支撐架接觸點(diǎn)的絕緣漆未刮掉，導(dǎo)致電路不通，可把漆包線與支撐架接觸點(diǎn)的絕緣漆刮掉，或可通過外力使半線框離開平衡位置使其振蕩起來.

值得注意的是半線框在振蕩過程中，如果半線框下邊通電時(shí)所受安培力方向與此時(shí)擺動(dòng)方向相反，安培力則會(huì)阻礙其振蕩，半線框不能持續(xù)振蕩，這時(shí)可通過改變半線框中的電流方向或磁場方向(變換磁極)的方法，

便能使其持續(xù)振蕩.

4實(shí)驗(yàn)原理

如圖1所示，半線框在磁鐵S極的上方處于平衡位置時(shí)，半線框右邊上端水平軸(漆包線)朝向讀者的半邊是絕緣漆，背向讀者半邊是刮掉了絕緣漆的裸導(dǎo)線，水平軸剛好與支撐架導(dǎo)通.此時(shí)，接通電源，使半線框的下邊通過從右向左的電流，根據(jù)左手定則可知，半線框在安培力作用下離開平衡位置被推向讀者，半線框把獲得的動(dòng)能轉(zhuǎn)化成勢能，完成前1/4周期的振動(dòng)到達(dá)最高點(diǎn).接著在重力的作用下，半線框的勢能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能而完成第2個(gè)1/4周期的振動(dòng)，使半線框擺回到平衡位置.在這個(gè)過程中，由于半線框處于失重狀態(tài)，造成半線框的水平轉(zhuǎn)動(dòng)軸與支撐架之間接觸不良，電路不能形成通路，因此半線框在此過程中無阻礙其擺動(dòng)的安培力作用(筆者實(shí)驗(yàn)時(shí)，在電路中串聯(lián)1個(gè)電流表作檢流計(jì)，通過觀察檢流計(jì)指針的擺動(dòng)情況證實(shí)了這一觀點(diǎn)).半線框把到達(dá)平衡位置獲得最大的動(dòng)能轉(zhuǎn)化成勢能，使其完成第3個(gè)1/4周期的振動(dòng)而到達(dá)另一側(cè)的最高點(diǎn).在這個(gè)過程中，由于半線框右邊上端水轉(zhuǎn)動(dòng)平軸與支撐架接觸的是絕緣漆，電路被斷開，所以在這個(gè)過程中磁鐵對半線框無安培力的作用.接著在重力的作用下，半線框的勢能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能而完成第4個(gè)1/4周期的振動(dòng)，使半線框擺回到平衡位置.在這個(gè)過程中，由于半線框右邊上端水轉(zhuǎn)動(dòng)平軸與支撐架能接觸的是絕緣漆，況且半線框處于失重狀態(tài)，電路被斷開，所以在這個(gè)過程中磁鐵對半線框無安培力的作用.半線框完成1個(gè)周期的振蕩回到平衡位置時(shí)電路接通，半線框在安培力作用下得到能量補(bǔ)充，于是將重復(fù)上一周期的物理過程,使其持續(xù)振蕩.