平面磁體在物理實驗中的應(yīng)用

吳春良

摘要:形狀扁平的磁體可以稱為平面磁體,作者介紹了利用平面磁體來改進實驗教學(xué)的若干生動事例。

關(guān)鍵詞:平面磁體;實驗教學(xué);范例

中圖分類號:G633.7 文獻標識碼:A文章編號:1003-6148(2009)11(S)-0061-2

在傳統(tǒng)的電學(xué)實驗中,經(jīng)常使用的磁體的外型呈條形,蹄形,針形。近些年來隨著相關(guān)產(chǎn)業(yè)的技術(shù)進步,許多磁力強,形狀扁平的磁體進入了我們的生活,可以將它們稱為平面磁體。筆者在教學(xué)實踐中發(fā)現(xiàn),恰當(dāng)、合理的利用平面磁體來進行實驗教學(xué),會收到意想不到的效果。

1 從日常生活中發(fā)現(xiàn)平面磁體

玻璃清潔器(圖1),利用了兩塊清潔板中磁體的相互作用牢牢的吸引在一起,只要移動室內(nèi)的一塊,室外的另一塊在磁力的作用下也會跟著一起運動,說明清潔板的磁體具有極強的磁性。且現(xiàn)在大多學(xué)校的黑板均為成品的鐵質(zhì)黑板,把玻璃清潔器中的平面磁體(圖2)取出后放于黑板上,由于吸引力極大,穩(wěn)定性很好。另外,廢舊收音機揚聲器上的環(huán)形平面磁體(圖3)也具有相同的效果。

2 實際應(yīng)用

2.1 探究求合力方法實驗

人教版高中《物理》《力的合成》,在探究求合力方法的實驗中,教材上的演示實驗裝置及實驗步驟如下。(1)在兩個定滑輪下掛鉤碼,讓橡皮條GE在兩個拉力F₁、F₂共同作用下沿某一直線伸長長度EO。記下O點位置及的F₁、F₂大小、方向(如圖4甲)。(2)在一個定滑輪下掛鉤碼,讓橡皮條GE在一個拉力F的作用下再次伸長EO,記下F的大小、方向(如圖4乙)。再如圖4(丙)用力的圖示法分別作出F₁、F₂和F,用虛線把F₁、F₂和F的矢端連起來應(yīng)近似為一個平行四邊形,從而得出合力與分力遵循平行四邊形定則的結(jié)論。對應(yīng)的學(xué)生實驗是在水平面內(nèi)通過彈簧秤拉橡皮條來進行,較易完成。而此實驗要求在豎直平面內(nèi)完成,在實際操作中存在著一個很大的問題,即滑輪的固定及調(diào)節(jié)問題。滑輪的安裝必須有一定的牢度,否則無法承受懸掛鉤碼后所受到的作用力,若采用“板上釘釘”的方式則無法調(diào)節(jié)。為此,筆者利用平面磁體對本實驗進行了改進,使它更便于操作,實驗結(jié)果更精確。

具體做法:在環(huán)形平面磁體中心塞一木塞再擰上一長螺絲,吸于黑板上用于固定橡皮條左端(G點)(圖5)。把鐵框滑輪吸于平面磁體上,再吸于黑板上,系好橡皮條和細繩,讓細繩穿過滑輪,掛上鉤碼即可實驗(圖6~8)。優(yōu)點一:滑輪位置可以調(diào)節(jié),可以得到很多組結(jié)果,使實驗更具有普遍性,更有說服力。優(yōu)點二:可以用粉筆直接把點和線標在黑板上,作圖方便,可視度高。

2.2 探究影響單擺振動周期的因素實驗

人教版高中《物理》《單擺》,在探究影響單擺振動周期的因素時,如擺球的質(zhì)量、振幅、擺長等對周期的影響,教材上的演示實驗裝置及步驟如下:在兩個鐵架臺的橫梁上固定兩個單擺,按照質(zhì)量不同、振幅不同、擺長不同三種情況,把它們拉起一定角度后同時釋放,觀察兩擺的振動情況,從而得出結(jié)論(圖9)。在實際操作中存在的問題是:(1)在小角度下振動的情況下振幅的比較很困難;(2)不同鐵架臺的兩單擺擺長難以比較,特別是在做振幅與質(zhì)量對周期影響的實驗時難以做到擺長完全一致,從而影響到實驗的可視度和可信度。 為此筆者也通過利用平面磁體對該實驗進行了改進,方法如下:

在鐵質(zhì)黑板上懸掛四個單擺,其中1、2為相同的小鋼球,3、4為相同的塑料球,四個球大小形狀完全相同,且1、2、3擺長相同,4擺長較短(圖10)。懸點的固定方法,采用平面磁體吸住鐵夾的方式(圖11,此處所用磁體為圖2中二塊疊合而成)。探究擺球質(zhì)量對周期的影響時,可通過1、3或2、3兩球,在擺長、擺角均相同的情況下比較它們的振動情況。探究振幅對周期的影響時,可通過1、2兩球,在質(zhì)量、擺長相同但擺角不同的情況下比較它們的振動情況。探究擺長對周期的影響時,可通過3、4兩球,在質(zhì)量、振幅相同的情況下比較它們的振動情況。此裝置舍去了鐵架臺,利用了平面磁體與鐵夾,把器材搬上了黑板,增加了可視度和可操作性。有以下幾個優(yōu)點:(1)利用黑板上的水平線,四個擺的懸點很容易調(diào)整到同一高度,且很穩(wěn)定;(2)鐵夾的使用使擺長的調(diào)節(jié)變得極為方便;(3)通過在黑板上作標記的方式,使最難比較的小角度下的振幅也容易看出來。

相比以上幾個因素,重力加速度對振動周期的影響則更難比較,教材上沒有方法介紹。據(jù)筆者了解,好多教師都僅采用理論分析的方法來解釋。也有資料介紹可以在擺球下放一磁鐵,使擺球受到向下的磁力作用來等效增大重力的方法。但實驗設(shè)計時存在許多困難。筆者通過多次實踐,在圖10的基礎(chǔ)上,在其中一個小鋼球下的黑板上吸附一平面磁體的方式來做此實驗,取得了良好的教學(xué)效果。現(xiàn)將實驗方法介紹如下:

如圖12所示,在小鋼球1的下方約7厘米處吸附一平面磁體,使它的N極和S極在上下位置(此處所用磁體為圖2中二塊疊合而成)。通過1、2兩球,在質(zhì)量、振幅、擺長均相同的情況下比較它們的振動情況,可發(fā)現(xiàn),下面有磁體的鋼球1振動比2周期更短,頻率更快,從而得出結(jié)論。

3 應(yīng)用前景

除了以上兩處可以利用平面磁體以外,如在演示磁體間的相互作用時,特別是演示磁懸浮時,可采用在比平面磁體略大的豎直透明管中,讓兩塊磁體同名磁極相對,上面的一塊即可懸浮在空中(圖13)。另外,在測玻璃磚折射率的實驗中,教材上采用在木板上插大頭針的做法,在實際操作中往往需要用重物敲擊大頭針才能插牢,很麻煩且大頭針浪費嚴重。若用平面磁體側(cè)面吸附大頭針的方式則十分方便(圖14),也可以提高實驗效率和精確度。

利用新材料來改進物理實驗,值得思考,值得老師們進一步研究。

參考文獻:

[1]普通高中課程標準實驗教科書《物理》必修1.北京:人民教育出版社,2005.(66)

[2]普通高中課程標準實驗教科書《物理》選修3-4.北京:人民教育出版社,2007.(14)

(欄目編輯王柏廬)