磁鐵同性相吸趣味實驗與教學設計

黃明超 陳春良

(廣西民族大學理學院物理實驗中心,廣西 南寧 530006)

磁鐵同性相吸趣味實驗與教學設計

黃明超 陳春良

(廣西民族大學理學院物理實驗中心,廣西 南寧 530006)

設計磁鐵同性相吸的趣味物理實驗,突破常見的思維定勢,激發學生對物理學的興趣,增強從生活走向物理、從物理走向社會的意識.

磁鐵;同性相吸;物理實驗;思維定勢

1 前言

根據普通人的生活經驗以及科學常識,磁鐵的特性是同名磁極相斥、異名磁極相吸.如果出現磁鐵同性也能相吸的實驗,是否顛覆了我們以往的科學認知呢? 以下設計磁鐵同性相吸實驗,不但增添演示實驗的趣味性,還能夠激發學生發現生活中普遍存在的物理現象,增強對物理現象的求知欲和探索熱情.

2 磁鐵實驗原理

自然界中的磁體擁有兩個磁極,磁極相互靠近時存在以下兩種現象:同名磁極相互排斥,異名磁極相互吸引.但是以下實驗出現一種奇異的物理現象,把同名磁極相互靠攏時也能相互吸引.為什么會出現這樣看似反常的狀況呢?筆者從以下方面進行分析.磁滯回線表示磁場強度周期性變化時,強磁性物質磁滯現象的閉合磁化曲線,根據鐵磁材料磁滯回線的胖瘦,分為硬磁材料和軟磁材料.[1]圖1顯示的是一個永磁體的磁場線和一個附加軟磁材料的永磁體磁場線.從圖中可以看出附加軟磁材料對永磁體的磁場并沒有影響.

圖1 附加軟磁材料的永磁體磁場

原有的附加軟磁材料棒的永磁體N極,如果靠近另一個永磁體N極,剛開始磁場間的斥力很強,這就是我們熟悉的同名磁鐵相互排斥現象.但是當兩個磁鐵靠近到某個特定距離時,排斥力突然變成吸引力,也就是兩個同名的磁極相互吸引,如圖2所示.原來這是軟磁材料的磁化狀態發生改變,其尖部的磁疇靠近另一個永磁體的強磁場,導致它的磁矩方向發生改變.[2]

圖2 磁化改變及異性相吸的起因

筆者用永磁體和小磁針進行實驗,把永磁體的N極迅速靠近小磁針N極,小磁針被永磁體吸引住了:因為條形磁鐵的磁性較強,當它迅速靠近小磁針時, 小磁針來不及被同名磁極排斥,受到條形磁鐵強磁場的作用,小磁針重新被磁化,靠近條形磁鐵N極的一端被磁化為S極,由此出現同名磁極相吸引的假象.[3]

3 磁鐵實驗內容

根據以上的理論基礎,筆者設計如下課堂演示實驗.

如圖3所示,整個裝置通過兩根鐵棒固定于底托平臺上,下方是彈簧,彈簧與木塊托盤固定在一起,通過觀察彈簧的伸縮可以直觀看出條形磁鐵1對條形磁鐵2的作用力.彈簧上邊有一個木板托盤,木塊托盤可上下移動,條形磁鐵2對彈簧的壓力可通過木塊托盤傳導.將條形磁鐵1和條形磁鐵2通過強力膠固定在固定木塊上,固定木塊相對鐵棒上下移動,主要目的是防止條形磁鐵偏移豎直方向.

圖3 條形磁鐵同性相吸實驗

3.1 條形磁鐵與縫衣針實驗

中學生已經熟悉“將縫衣針放在碗里的水上,觀察小磁針偏轉情況”實驗.現在同樣讓學生動手制作并演示縫衣針偏轉實驗,但是實驗裝置和方法發生改變,會顛覆學生以往對磁場同性相斥、異性相吸的認識.

教師為每位學生準備好1根縫衣針、1塊條形磁鐵和1根細線.

以下是部分課堂過程.

師:同學們,大家還記得以前做過“將縫衣針放在碗里的水上,觀察小磁針偏轉情況”的實驗嗎?我們將一碗水放在室外,然后將細小的縫衣針輕輕地放在水面上,觀察小磁針偏轉情況,大家能否回憶一下當時小磁針如何偏轉的呢?

生1:縫衣針會緩慢地偏轉,并且指向地球的南北方向.

師: 很好,那你還記得縫衣針的哪一頭指向北方,哪一頭指向南方呢?

生1:記不太清了.

師:生1說記不清縫衣針具體的偏向了,其實縫衣針的偏向是不具體的,因為縫衣針沒有磁性,所以它的南北偏向具有任意性.今天我們就讓縫衣針帶上磁性,那我們如何讓小磁針帶上磁性呢?大家有沒有這方面的生活經驗呢?

生2:我家里的螺絲刀原來不能吸住螺絲,后來我將它在磁鐵上摩擦了幾下它就能夠吸住小螺絲了,并且用起來方便多了.我們能不能讓縫衣針同樣也在磁鐵上摩擦幾下呢?

師:看來生2同學的生活經驗很豐富啊.我們只需要將縫衣針在條形磁鐵上摩擦幾下他就帶上了磁性.既然縫衣針帶上了磁性,我還不知道它是不是真的帶上了磁性?它的哪一端帶上了何種磁極?我們可以通過以下方法進行檢驗.

將縫衣針靠近鐵粉,如果有鐵粉被縫衣針吸住,那么就證明縫衣針帶上了磁性;反之則無.將與磁鐵摩擦后的縫衣針用細線綁在中間位置,使縫衣針處于水平狀態懸掛起來,緩慢地靠近條形磁鐵的N極,靠近N極的一端就是縫衣針的S極,我們可以將縫衣針的針尖和針孔作為縫衣針帶磁性后N極和S極的標記.

現在我們已經使縫衣針帶上了磁性且知道縫衣針的哪一端帶何種磁性,接下來我們就將縫衣針用細線懸掛起來,使縫衣針處于水平狀態.

師:同學們,實驗的前期工作我們都已經完成,我的縫衣針的N極為針孔處,S極為針尖處,你們還記得嗎?現在我將條形磁鐵的N極緩慢地靠近縫衣針,大家觀察到了什么現象嗎?

生:縫衣針旋轉并且針尖處靠近條形磁鐵.

師:為什么會出現這樣的實驗現象呢?

生:異性相吸、同性相斥,針尖處為縫衣針的S極.

師:大家的回答很正確,接下來仔細看,我將條形磁鐵的N極迅速靠近縫衣針的針孔處(N極)看看會出現怎樣的現象呢?

生:條形磁鐵的N極和縫衣針的針孔處(N極)吸住了,好神奇呀!為什么會出現這種情況呢?

師:因為條形磁鐵的迅速靠近改變了縫衣針原有的磁場分布,使縫衣針與條形磁鐵相吸,大家試試看能不能出現和我的一樣的實驗現象?

安排學生進行分組實驗,為學生講解產生實驗現象的原因.

3.2 條形磁鐵同性相吸的演示實驗

由于該實驗的實驗裝置過于復雜,不安排學生進行動手實驗,教師只需在課堂上進行演示實驗,并向學生講明實驗原理.本實驗分為兩個部分進行:第1部分進行異性相吸實驗,目的是向學生介紹引入該實驗裝置,說明異性相吸的吸引力足以將條形磁鐵2提起且能夠將彈簧拉伸;第2部分進行同性相吸的實驗演示,讓學生了解同性相吸的過程.具體的課堂演示過程如下.

師:同學們,我們在初中的時候就已經學過了磁鐵之間的一些原理,大家還記得嗎?

生1:磁鐵能夠吸引鐵、鈷、鎳3種金屬.

生2:磁鐵間同性相吸、異性相斥.

師:看來大家對以往的知識記憶都牢固的哦.如果說今天我告訴大家同性相吸大家會相信嗎?

生:不相信.

師:既然大家都不相信,那我就用實驗現象告訴大家事實.

將實驗儀器至于水平講臺上,把條形磁鐵2的N極朝上至于固定木塊上.

將條形磁鐵1的N極朝上至于裝置的上方的固定木塊上.

用手指提緩慢提起條形磁鐵1,可以看到彈簧伸長,則證明兩個條形磁鐵間有吸引力使條形磁鐵1拉著條形磁鐵2往上運動,此吸引力正是兩塊條形磁鐵間異性相吸的吸引力.

將條形磁鐵1的方向轉變,使S極朝上.

用力緩慢地擠壓條形磁鐵1,可以發現彈簧慢慢地收縮,收縮的來源于兩塊條形磁鐵間的排斥力.當兩塊磁鐵逐漸靠近的時候,發現他們之間相互吸引了,手提條形磁鐵1往上拉,發現彈簧逐漸伸長至原長后繼續伸長,由此說明了磁鐵同性相吸的實驗原理.

師:同學們,以上現象告訴我們,通過改變實驗條件,實驗就會呈現出不一樣的實驗現象.下面我請同學們親手做一下同性相吸的實驗.

1 路峻嶺,鄭鶴松,晏思賢,汪榮寶. 永磁體同性磁極相吸現象的研究[J]. 大學物理,2005(09):42-43，56.

2 路峻嶺.物理演示實驗教程(第2版)[M].北京:清華大學出版社,2015：530-532.

3 董繼舒, 賈克鈞. 對幾個“反常”磁現象的分析[J]. 物理教師, 1994(9):10-11.

2017-08-04)