用圓形磁鐵設(shè)計(jì)與制作的模擬實(shí)驗(yàn)

袁德生 向愷杰 閆哲瑄 寧一鳴 李 浩

(新疆袁德生機(jī)電大師工作室,新疆 伊寧 835000)

1 實(shí)驗(yàn)器材

(1) 外徑為Φ=7.6 cm(25 W高音喇叭的磁鐵)和Φ=1.7 cm的喇叭圓形磁鐵各1塊； (2) 小螺釘8個(gè)； (3) 玻璃溫度計(jì)或細(xì)玻璃棒長(zhǎng)15 cm以上的1只．

2 具體的科學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與演示

2.1 人為什么能自然地待在地球上任何一個(gè)位置的模擬實(shí)驗(yàn)

對(duì)于人們能在地球上自由行走,而又不能脫離地球,這全靠地球的吸引力(重力)的作用,但重力對(duì)人們的這種自然作用,人們是感覺(jué)不出來(lái)的,所以筆者特設(shè)計(jì)以下的模擬實(shí)驗(yàn)來(lái)幫助人們特別是初學(xué)者認(rèn)識(shí)地球?qū)θ撕腿f(wàn)物吸引作用的真實(shí)效果．具體做法與分析如下.

圖1

人用手將大的圓形磁鐵(Φ=7.6cm)高舉在空間,并且使圓形磁鐵的平面在豎直面上,然后將小螺釘?shù)尼斆背蟠盆F表面,并將其放置在大磁鐵表面上的任何一個(gè)位置上,小螺釘都會(huì)豎直立與大磁鐵的圓形表面,不論在大磁鐵的上面、下面還是左面、右面都是如此,如圖1所示,大的圓形磁鐵相當(dāng)于地球,小螺釘相當(dāng)于地球表面上的人,小螺釘受到大圓形磁鐵的吸引力,而可以豎直立在大磁鐵的圓形表面的任何一個(gè)位置,它類似于人受到地球的吸引力,也就是人們常說(shuō)的人所受到的重力,使人可以停留在地球表面上任何一個(gè)位置是完全類似的．

在上述的模擬實(shí)驗(yàn)中若不計(jì)小螺釘?shù)闹亓康脑?小螺釘在大圓形磁鐵的上面、下面和左面、右面的各處,小螺釘受磁場(chǎng)引力情況大小是相同的．所以人在地球上時(shí),地球是沒(méi)有上面、下面、左面、右面和前面、后面之分的,人在地球上各處受到地球的引力大小基本是相同的．

圖2

如圖2所示,若用手將小螺釘由1位置移到2位置,再松開(kāi)手后,會(huì)看到小螺釘立即在大磁鐵的磁力作用下,快速回到大磁鐵的圓形表面,這個(gè)實(shí)驗(yàn)可告訴人們,小螺釘相當(dāng)于人在地球上跳高一樣,你跳得再高,都會(huì)在地球的引力(重力)的作用下,落回地面,不論在地球上何處都是一樣的．

2.2 一個(gè)大膽的科學(xué)想象與模擬實(shí)驗(yàn)

若能通過(guò)一種方式,把地球?qū)θ梭w或其他物體的引力(重力)改變成一種斥力的話,此時(shí)人或其他物體就可以自然地遠(yuǎn)離地球而去,若想回到地球,再將斥力改成引力就行．若此想象能實(shí)現(xiàn)的話,人和物就可以實(shí)現(xiàn)一種在地球表面飛行的功能,而且能使高空作業(yè)者自由行動(dòng),徹底解決高空的跌落安全隱患問(wèn)題,塔吊將被淘汰,那樣世界是一個(gè)特別精彩的神話世界．

圖3

筆者設(shè)計(jì)的模擬實(shí)驗(yàn)如下.

將大磁鐵與小磁鐵放在水平的桌面上,若看到小磁鐵被大磁鐵吸到大磁鐵的弧形表面時(shí),接著把小磁鐵翻個(gè)面你會(huì)看到,小磁鐵會(huì)受到大磁鐵的斥力作用,而自動(dòng)遠(yuǎn)離大磁鐵,若在途中再將小磁鐵翻個(gè)面,此時(shí)小磁鐵又會(huì)在大磁鐵的吸引力作用下,被吸到大磁鐵的圓形表面,如圖3所示．

該實(shí)驗(yàn)是利用改變小磁鐵的磁場(chǎng)方向,實(shí)現(xiàn)引力的吸引和斥力的排斥而使小磁鐵對(duì)應(yīng)運(yùn)動(dòng)的,可以推理想象:若能改變?nèi)撕臀镌诘厍虮砻嫠苤亓Ψ较?就可實(shí)現(xiàn)人和物自動(dòng)遠(yuǎn)離和靠近地球的設(shè)想,自然實(shí)現(xiàn)人與物的懸浮與磁懸浮類似,實(shí)現(xiàn)了人和物飛檐走壁．

2.3 人造地球衛(wèi)星的模擬實(shí)驗(yàn)

一般人們對(duì)人造地球衛(wèi)星圍繞地球轉(zhuǎn)動(dòng)的原理是不好理解的,為了使人們更好地接受這個(gè)事實(shí)和原理,筆者在具體的授課中設(shè)計(jì)使用了下面的模擬實(shí)驗(yàn),效果非常好,具體操作如下.

將大的圓形磁鐵(代表地球),小的圓形磁鐵(代表人造地球衛(wèi)星),放置在水平較光滑的桌面上,調(diào)整小磁鐵的正面和反面．(注:小磁鐵此時(shí),上面的面和下面的面稱正面和反面),可看到小磁鐵受到大磁鐵的作用力有兩種結(jié)果:一種是引力將小磁鐵吸在大磁鐵的圓形表面上;第二種是斥力將小磁鐵排斥,使小磁鐵遠(yuǎn)離大磁鐵．

該實(shí)驗(yàn)是大磁鐵把小磁鐵吸引在自己的圓形表面上靜止不動(dòng),然后用手指將小磁鐵沿大磁鐵弧形表面的切線方向,用力撥動(dòng)小磁鐵,即可看到,小磁鐵在大磁鐵的引力作用下,沿著大磁鐵表面,做圓周運(yùn)動(dòng),而且可轉(zhuǎn)10～20圈甚至更多,如圖4所示.

圖4

結(jié)論:磁場(chǎng)的引力和斥力是一種無(wú)形的力,重力也是一種無(wú)形的引力,無(wú)形的力是看不見(jiàn),摸不著的,上述的實(shí)驗(yàn)就是一種磁場(chǎng)的無(wú)形引力作用下的圓周運(yùn)動(dòng)．人造地球衛(wèi)星圍繞地球做圓周運(yùn)動(dòng)是靠無(wú)形的萬(wàn)有引力而實(shí)現(xiàn)的,它與上述實(shí)驗(yàn)是完全類似的．通過(guò)該實(shí)驗(yàn)對(duì)人們接受和理解人造地球衛(wèi)星,圍繞地球在空間的轉(zhuǎn)動(dòng)就變得特別容易了,同時(shí)對(duì)引力的作用僅僅是改變物體的運(yùn)動(dòng)方向,提供了一個(gè)做圓周運(yùn)動(dòng)無(wú)形的向心力的抽象思維認(rèn)識(shí),轉(zhuǎn)移成了一個(gè)現(xiàn)實(shí)的直觀認(rèn)識(shí)．

2.4 磁懸浮彈性器的制作與表演

磁懸浮彈性器具體做法是:將大磁鐵放在水平的桌面上,再將小磁鐵套在玻璃溫度計(jì)上或者是細(xì)的玻璃管上,使小磁鐵與大磁鐵面對(duì)面的磁極為同名磁極,然后將玻璃溫度計(jì)豎直立于大磁鐵的圓形中心處,可以看到小磁鐵在玻璃溫度計(jì)的制約下,懸在大磁鐵的上空,再用手往下?lián)軇?dòng)一下小磁鐵時(shí),可看到小磁鐵在一種無(wú)形的磁場(chǎng)排斥力作用下,像彈簧似的做特別富有彈性的振動(dòng)．如圖5所示(圖5中的大磁鐵被包裝在泡沫塑料之中)

圖5

2.5 磁性大炮發(fā)射器

磁性大炮發(fā)射器的具體做法是:將大磁鐵豎直立于水平的桌面上(也就是大磁鐵的平面與桌 面垂直),手拿玻璃溫度計(jì)或細(xì)的玻璃管,手的前方玻璃溫度計(jì)的長(zhǎng)度,控制在5 cm左右,把小磁鐵套在玻璃溫度計(jì)上,并使小磁鐵與大磁鐵面對(duì)面的磁極相同(處于排斥狀態(tài)),然后將溫度計(jì)沿著大磁鐵內(nèi)圓的圓心軸向方向,從右向左連同小磁鐵一起,慢慢移進(jìn)大磁鐵的內(nèi)圓圓心,當(dāng)小磁鐵稍微越過(guò)大磁鐵內(nèi)圓的中心平面時(shí),小磁鐵將在大磁鐵相互排斥力的作用下,沿著溫度計(jì),像大炮的炮彈一樣飛射出去,如圖6所示，所以該實(shí)驗(yàn)可模擬裝載大炮炮彈的發(fā)射器．

圖6

2.6 自制磁鐵翻筋斗器

圖7

如圖7,將小磁鐵平放在1 cm厚的桌面上或者是其他木板上,將大磁鐵用手拿著放在桌面或木板的下面,并在小磁鐵的正下方,當(dāng)你用手重復(fù)翻動(dòng)大磁鐵時(shí),就可看到小磁鐵在桌面或木板上來(lái)回的翻筋斗,大磁鐵在下面翻一下,小磁鐵在上面也對(duì)應(yīng)地翻一下,效果特別好(若用雙面膠在小磁鐵的兩個(gè)平面上,分別貼上不同顏色和有關(guān)聯(lián)內(nèi)容的畫,在表演中顯得更加精彩).

2.7 關(guān)于磁鐵間相互作用在不穩(wěn)定平衡處平衡的解決方法

圓形磁鐵與圓形磁鐵相互作用時(shí),有很多的穩(wěn)定平衡點(diǎn),只要在穩(wěn)定平衡點(diǎn)處,它們都會(huì)自然平衡而相對(duì)靜止的;但它們?cè)谙嗷プ饔脮r(shí)也有很多不穩(wěn)定平衡點(diǎn),在它們的不穩(wěn)定平衡點(diǎn)處,讓它們自由平衡是很難做到的,但只要加一些外界條件都是可以實(shí)現(xiàn)不穩(wěn)定平衡處的穩(wěn)定平衡,從而出現(xiàn)磁懸浮的穩(wěn)定平衡現(xiàn)象．穩(wěn)定平衡是自然平衡,大都是相互吸引,接觸在一起的平衡,對(duì)于不穩(wěn)定平衡處的平衡,最簡(jiǎn)單的方法就是把小磁鐵套在一個(gè)與它的內(nèi)圓直徑差不多的小玻璃棒上或其他光滑的小棍上(小棍不能是鐵磁性材料),如圖5和圖6所示(圖5和圖6中的大磁鐵是被包裝起來(lái)的,在實(shí)驗(yàn)中可不用包裝),通過(guò)改變小磁鐵的磁極極性和小玻璃棒的位置,就可讓小磁鐵在不穩(wěn)定平衡處達(dá)到穩(wěn)定平衡,包括一些磁力為斥力與重力的不平衡位置和磁力為引力與重力的不平衡位置．