創(chuàng)新科學(xué)教育項(xiàng)目：電磁小車(chē)的制作和動(dòng)力模型分析

摘 要 電磁感應(yīng)的實(shí)踐應(yīng)用一直是我們探索的重點(diǎn)，同時(shí)也是中學(xué)物理的重要內(nèi)容，以電池和小磁鐵為原料制作的小車(chē)，不僅能順利前行，而且形狀多變，極富趣味性。那么對(duì)其動(dòng)力產(chǎn)生的原因進(jìn)行深入探究，不僅是實(shí)驗(yàn)的需求，更是科技館科學(xué)教育項(xiàng)目的需求。

關(guān)鍵詞 電磁動(dòng)力 電磁感應(yīng) 等效環(huán)形電流

中圖分類(lèi)號(hào)：TP242 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

以銅線圈、電池、小磁鐵為材料制作的電磁動(dòng)力“小車(chē)”經(jīng)試驗(yàn)探究，小車(chē)可以在線圈中順利前進(jìn)。首先，將銅線纏繞成緊密且同大小的線圈，將同極的小磁鐵（同為N或者同為S）分別貼在電池的正負(fù)極上（如圖1），將這個(gè) “小車(chē)”放入銅線圈中，會(huì)發(fā)現(xiàn)“小車(chē)”竟然沿著線圈運(yùn)動(dòng)起來(lái)，最終從線圈中穿出。那是什么力量推動(dòng)著這列“小車(chē)”前進(jìn)呢？

小磁鐵是這個(gè)實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵點(diǎn)，它們既產(chǎn)生了磁場(chǎng)，又充當(dāng)了導(dǎo)體的作用，使銅線圈和電池的正負(fù)極接通，即使銅線圈內(nèi)產(chǎn)生電流， 此時(shí)通電的銅線圈根據(jù)電磁感應(yīng)定律和右手法則，產(chǎn)生磁場(chǎng)，磁場(chǎng)方向如圖2所示。

通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)的觀察和分析，下面對(duì)電磁小車(chē)動(dòng)力的來(lái)源進(jìn)行兩種模型分析，不當(dāng)之處歡迎批評(píng)指正。

1小磁鐵等效環(huán)形電流模型

我們知道磁場(chǎng)中的電子，其實(shí)在做規(guī)律的環(huán)形運(yùn)動(dòng)，形成環(huán)形電流，并最終形成方向一致的對(duì)外顯現(xiàn)出磁鐵的磁性。那么如果把磁鐵當(dāng)成一個(gè)整體來(lái)看，那么磁鐵可以等效成為一個(gè)通電的螺線圈，正極所接磁鐵的環(huán)形電流模型如圖3所示，負(fù)極所接磁鐵的環(huán)形電流方向相反。

電池正負(fù)極所連接的小磁鐵都模擬成環(huán)形電流后，在銅線圈的磁場(chǎng)中，電流產(chǎn)生安培力作用，那么安培力的大小則根據(jù)左手定律，將磁感線垂直穿過(guò)手掌，四指指向電流方向，大拇指所指方向就是安培力的方向，如圖4。正極的F1和負(fù)極的F2，合力方向均向左，最終推動(dòng)“小車(chē)”前進(jìn)。

2通電線圈等效條形磁鐵模型

根據(jù)文章前面所述，銅線圈中產(chǎn)生了電流和感應(yīng)磁場(chǎng)。磁場(chǎng)方向根據(jù)右手法則判斷方向向右。這種情況下，通電銅線圈等效為條形磁鐵，左（正極）為S極，右（負(fù)極）為N極。如圖5。

正極處，感應(yīng)磁場(chǎng)的S極與小磁鐵的N極相互吸引，給小磁鐵一個(gè)向左的力量；負(fù)極處，感應(yīng)磁場(chǎng)的N極與小磁鐵的N極相互排斥，給小磁鐵一個(gè)向左的力量，兩個(gè)力量均向左，所以“小車(chē)”向左運(yùn)動(dòng)。

由于S極小磁鐵距離銅線圈感應(yīng)磁場(chǎng)兩極較遠(yuǎn)，產(chǎn)生的排斥和吸引力被N極產(chǎn)生的吸引和排斥力抵消，不作考慮。

3結(jié)束語(yǔ)

利用身邊簡(jiǎn)單的工具和材料，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單又富有趣味的小實(shí)驗(yàn)，能極大提升青少年對(duì)科學(xué)的感知和興趣，在科普活動(dòng)中，經(jīng)常采用此類(lèi)方法，激發(fā)觀眾的好奇心和探究欲。輔導(dǎo)員在進(jìn)行科學(xué)教育工作時(shí)，要對(duì)現(xiàn)象背后的原理進(jìn)行深入探究，不斷試驗(yàn)改進(jìn)，讓觀眾以興趣為出發(fā)點(diǎn)，以應(yīng)用為落腳點(diǎn)，才能達(dá)到科普教育項(xiàng)目的真正目的。

作者簡(jiǎn)介：馬曉燕，女，漢，出生年月：1990年5月，籍貫：河南長(zhǎng)葛，學(xué)歷：本科，職稱(chēng)：助理館員，工作單位：許昌市科學(xué)技術(shù)館，研究方向：公眾科學(xué)教育。

參考文獻(xiàn)

[1] 閆峰.磁動(dòng)力小車(chē)的驅(qū)動(dòng)原理[J].中學(xué)物理教學(xué)參考，2015（13）.