用強磁鐵改進一組傳統演示實驗

耿宜宏

（江蘇省前黃高級中學，江蘇 常州 213161）

釹鐵硼磁性材料，作為稀土永磁材料發展的最新成果，由于其優異的磁性能而被稱為“磁王”.釹鐵硼和我們平時見到的磁鐵所不同的是一種具有極高的磁能積和矯頑力，同時高能量密度的優點使釹鐵硼永磁材料在現代工業和電子技術中獲得了廣泛應用，從而使儀器、儀表、電聲電機、磁選磁化等設備的小型化、輕量化、薄型化成為可能.去年我校購進一些小型強磁鐵被應用到傳統的演示實驗中，對經典的演示實驗進行了改進，取得出人意料的效果.本文通過幾個典型實例來加以說明，以拋磚引玉.

案例1.物體做曲線運動的條件.

人教版高中物理教材必修2第6頁物體做曲線運動的條件演示實驗：一個在水平面上做直線運動的鋼球，從側面給它一個力，如在鋼球運動路線的旁邊放一塊磁鐵，觀察鋼球的運動.

此實驗大多數教師不想做，其原因是讓小球從斜面某一高度滾下來，如果速度過大，軌道彎曲不明顯（如圖1所示）；如果速度過小，小鐵球與磁鐵靠得太近又會被磁鐵吸住.改進方法就是在磁鐵一端加上兩塊小的強磁鐵（如圖2所示），讓小球從一定的高度滾時，軌道彎曲現象就很明顯了.另外小球用鼠標內的磁性小球，效果更佳.

圖1

圖2

案例2.楞次定律的演示.

人教版高中物理教材選修3-2第14頁第6題討論產生感應電流的條件問題，討論的結果教師通常用演示實驗來驗證.常用的旋轉式楞次定律演示器如圖3所示.圖中為兩個很輕的鋁環，其中一環閉合，另一環斷開.將條形磁鐵的N極或S極靠近閉合環時，閉合環將朝遠離磁鐵的方向運動，若將磁鐵從閉合環中拔出，閉合環將朝靠近磁鐵方向運動；磁鐵靠近或遠離斷開環時，斷開環不動.

在演示該實驗時用一根條形磁鐵插入閉合鋁環時現象并不明顯，主要原因是單匝鋁框的磁通量變化較弱，產生的感應電動勢和感應電流不大，因此感應電流的磁場不強，原磁場與感應電流的磁場作用力不大.為了使演示現象明顯，往往使用兩根條形磁鐵合在一起插入以求產生明顯的效果.但由于圓環的面積較小，快速插入時金屬環容易因碰觸而運動，操作上不方便.

圖3

在條形磁鐵的一端加2塊小的強磁鐵（如圖4所示），實驗變得容易多了.當強磁鐵較慢靠近閉合鋁環時，鋁環就會因避讓而轉動；持續跟進，鋁環持續同向轉動；將強磁鐵停靠于鋁環后再后移，鋁環又會像個跟屁蟲似的跟著運動；快速轉動圓環時，將強磁鐵介入，圓環會在磁鐵面前戛然而止.實驗操作簡單，效果好.

圖4

案例3.磁體在銅管的運動.

人教版高中物理教材選修3-2第28頁中有一個練習題：在科技館中常看到這樣的表演，將一根長1m左右的空心鋁管豎直放置，把一枚磁性很強且直徑略小于鋁管內徑的小圓柱永磁體從鋁管上端放入管口.根據一般經驗，小圓柱自由下落1m左右的時間不會超過0.5s，但小圓柱過了許久才從鋁管下端落出.小圓柱在管內運動時，沒有感覺到它跟鋁管內壁發生明顯摩擦，把小圓柱靠著鋁管，也不見它們吸引.是什么原因使小圓柱在鋁管中緩慢下落呢？如果換用一條有裂縫的鋁管，小圓柱在其中的下落就快得多.這又是為什么呢？書本插圖如圖5所示.

圖5

圖6

實驗采用有裂縫的鋁管來進行實驗對比，目的是讓學生理解渦電流的磁場阻礙了相對運動，但尋找或制作實驗所需有裂縫的鋁管是困難的.因此我們采用相同粗細和長度的銅管和塑料管進行實驗對比.如圖6所示，讓強磁鐵塊同時從管的上端由靜止釋放，讓學生用秒表分別記錄兩個強磁鐵塊的運動時間.現象明顯，效果好.

案例4.磁體在銅管的運動實驗的改進.

上述實驗雖然現象明顯，但學生看不到兩個強磁鐵的具體運動過程.為此我們又對此實驗做了改進.讓兩個相同的強磁鐵放在同一傾斜的玻璃板上，從同一高度釋放，兩強磁鐵同時到達底邊；當在玻璃板下面放一塊鋁板（如圖7所示），再讓兩強磁鐵從同一高度同時釋放，結果發現有鋁板的一邊強磁鐵明顯慢于沒有鋁板的強磁鐵的運動.強磁鐵變慢的原因是因為有鋁板的存在，即渦流的作用結果，學生能看到兩強磁鐵的具體運動過程，現象明顯，又優于讓強磁鐵在銅管和塑料管看不見的運動.

案例5.電磁驅動與電磁阻尼.

金屬塊處在變化的磁場中會產生渦電流，渦電流受磁場作用形成電磁驅動或電磁阻尼現象.圖8是電磁阻尼擺演示儀.用一般實驗室中的鐵氧體U型磁體，經過多次磁體的運動才能使鋁板運動起來，同樣要使運動起來的鋁板停止運動，也要經過較長的時間.

圖7

圖8

如果在蹄形的磁鐵的內側各加上1個強磁鐵，驅動和阻尼現象就十分明顯了.如圖8所示，當強磁鐵靠近正在擺動的鋁板時，鋁板馬上停止運動.而靠近梳狀結構的鋁板時，仍然能擺動一段時間停下，對比實驗現象特別明顯.如果將強磁鐵先停靠于鋁板平衡位置處，然后開始沿擺動平面左右移動磁鐵，原本靜止的鋁板就跟著擺動起來.如操控適當，鋁板擺動的幅度會越來越大.這個實驗給學生留下了電磁驅動的深刻印象.

由于教學磁鐵多半是用于學生分組實驗及教師課堂演示之用，為避免夾傷手指，此類磁鐵均為磁力較小的鐵氧體磁鐵.雖然目前中學物理實驗室里還沒有配備釹鐵硼磁鋼做成的條形和U形磁鐵，但由于釹鐵硼磁鋼磁場強，體積可以做得小些，重量輕些，作為一種新材料、新器材，在物理實驗中的應用正不斷的被開發.

1 申高文.用強磁鐵做電磁學實驗［J］.物理教師，2009（11）.

2 歐劍雄.高中物理實驗的創新性設計［J］.物理教學，2013（11）.

3 耿宜宏.創新演示實驗讓課堂教學更精彩［J］.物理教師，2014（1）.