用磁性畫寫板做物理實驗的新設計

摘要：介紹用磁性畫寫板做的幾個物理實驗。材料易得、制作簡單，效果顯著，可加深學生對物理知識的理解。

關鍵詞：磁性畫寫板；平拋運動；斜拋運動；離心運動；簡諧運動

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A文章編號：1003-6148(2008)11(S)-0054-2

目前，市面上有很多商店都出售磁性畫寫板，兒童們都喜歡購買來畫畫或寫字。在物理教學中，我們也可以用磁性畫寫板的特殊性質來做一些中學物理實驗，不但方便易行，而且效果相當不錯。

1 磁性寫畫板的結構

磁性畫寫板所用的“筆”，實質上是一段強磁性小磁鐵棒鑲嵌在塑料桿一端，所用的“畫擦”，實質上也是一根磁鐵棒片，安裝在畫寫板的下面.工作原理是利用磁鐵具有吸引碎鐵屑作用。寫字時，磁性畫筆把細鐵屑吸引在畫寫板的上表面，從而留下“字跡”，擦去時是靠磁鐵片把細鐵屑吸引在下內表面，從而使上面的字跡消除。下面，筆者例舉幾例用磁性畫寫板做的物理實驗。

2 磁性寫畫板做物理實驗的設計

2.1 做平拋運動實驗

對于平拋運動，我們日常生活中并不少見，但對于平拋運動的軌跡，我們往往是做了實驗后畫出的。若能在物體做平拋運動的同時留下軌跡，則對平拋運動的軌跡是曲線會理解得更加具體、深刻，使人易于接受。

把磁性畫寫板的細短磁鐵棒取下，把它插在刻有兩道光滑凹槽的質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，水平部分約占全長的四分之一，傾斜部分占全長的四分之三。把磁性畫寫板豎立起來加以固定，調整軌道在合適位置處，使圓銅柱從軌道上滑出。做平拋運動過程中磁棒始終與畫寫板平面保持垂直且相距1mm左右。那么，當圓銅柱從規道上滑出做平拋運動的過程中，磁鐵棒就會在畫寫板上自動“畫”出物體做平拋運動的軌跡（如圖1）。

2.2 做斜拋運動實驗

在物理教材中，關于斜拋運動的演示實驗，大都用噴出的水流代替斜拋體來演示。但水流過后，斜拋體的運動軌跡也隨之消失，不便于研究斜拋運動的軌跡，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系時，不易形成直觀的對比分析，不便于通過討論分析得到直觀的結論。若用磁性畫寫板，就可做成較為理想的斜拋運動實驗。

整個實驗裝置同圖1相似，只不過鐵絲做成的平行軌道彎成的傾角要適當，并且可在一定角度范圍內調節（如圖2）。

（1）演示斜拋運動軌跡

讓圓銅柱從左邊軌道上某一位置滑下，在其離開右邊軌道后就做斜拋運動，磁鐵棒就會在畫寫板上自動畫出斜拋運動的軌跡。

（2）演示斜拋運動射程和射高跟初速度的關系

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。就可得到當拋射角不變，初速度不同時，斜拋物體的運動軌跡。對比分析得到斜拋運動射程和射高跟初速度的關系。

（3）演示射程和射高跟拋射角的關系。

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斜拋物體的運動軌跡。對比分析得到斜拋運動的射程和射高跟拋射角的關系。

2.3 演示離心運動軌跡實驗

離心運動是當物體受到的向心力突然消失，物體就沿圓周切線方向飛去，做離圓心越來越遠的運動。但在合外力不足以提供物體做圓周運動所需的向心力時，物體將會逐漸遠離圓心運動，其軌跡是一條曲線。可巧用磁性畫寫板使學生在課堂上能直接觀察到此種離心運動的軌跡。

實驗方法是取一平滑木質圓盤，大小與磁性畫寫板差不多。在圓盤的中心處鉆一小孔（孔的直徑等于轉軸的外徑），把它安裝在手搖轉臺的轉軸上，圓盤平面垂直于軸線，且圓盤中心與軸線重合，圓盤能繞豎直軸旋轉。然后把磁性畫寫板固定在圓盤上，使磁性畫寫板中心與圓盤中心重合（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，放在靠近畫寫板中心附近的地方，接著轉動手柄，使轉速由慢到快，直到畫寫板與橡皮塊間最大靜摩擦力無法滿足橡皮塊做圓周運動的向心力時，橡皮塊就沿著圓周和切線之間的某條曲線運動，離圓心越來越遠，直至飛離畫寫板。在此過程中，橡皮塊中的磁性畫筆就會自動地“畫”出橡皮塊運動的軌跡。

2.4 演示簡諧運動圖象

(1)演示彈簧振子的振動圖象

實驗裝置如圖4：1為支架；2為掛釘；3為豎直振動的彈簧振子，彈簧振子內嵌磁性筆尖，且筆尖向里略凸出；4為磁性畫寫板限位槽，用木板和U形鋁合金制成，并將其固定在木支架適當高度處，即限位槽木板中心的高度振子靜止時高度大致相同；5為磁性畫寫板；6為牽引電機，其電源和開關固定在限位槽木板背面。

實驗時用手豎直向下拉動振子使其離開平衡位置適當距離后釋放，使振子做簡諧運動。然后接通電源，電機勻速牽引磁性畫寫板運動，振子中的磁性筆尖就會自動在畫寫板上\"畫\"出彈簧振子的振動圖象。注意在實驗時彈簧振子做簡諧振動時其內磁性筆尖與畫寫板保持在1mm左右的距離。

（2）演示單擺的振動圖象

實驗裝置如圖5。

實驗時，把磁性筆尖嵌入單擺擺球中，并略向下凸出。把磁性畫寫板放在擺球下方，使其與磁性筆尖剛好接觸。然后，拉動擺球偏離豎直位置（偏角小于5度）后釋放，則單擺就做簡諧運動，然后勻速拉動磁性畫寫板，則畫寫板上就會留下單擺簡諧運動的圖象。

上述幾種用磁性畫寫板做的演示實驗，最大的優點是可以在極短的時間內進行反復演示，操作起來簡單方便，效果很好。

參考文獻：

［1］楊渠.巧用磁性畫寫板做平拋運動實驗.物理教學.2000年第8期.

(欄目編輯王柏廬)