磁鐵同性相吸趣味實(shí)驗(yàn)與教學(xué)設(shè)計(jì)

黃明超 陳春良

(廣西民族大學(xué)理學(xué)院物理實(shí)驗(yàn)中心,廣西 南寧 530006)

磁鐵同性相吸趣味實(shí)驗(yàn)與教學(xué)設(shè)計(jì)

黃明超 陳春良

(廣西民族大學(xué)理學(xué)院物理實(shí)驗(yàn)中心,廣西 南寧 530006)

設(shè)計(jì)磁鐵同性相吸的趣味物理實(shí)驗(yàn),突破常見的思維定勢(shì),激發(fā)學(xué)生對(duì)物理學(xué)的興趣,增強(qiáng)從生活走向物理、從物理走向社會(huì)的意識(shí).

磁鐵;同性相吸;物理實(shí)驗(yàn);思維定勢(shì)

1 前言

根據(jù)普通人的生活經(jīng)驗(yàn)以及科學(xué)常識(shí),磁鐵的特性是同名磁極相斥、異名磁極相吸.如果出現(xiàn)磁鐵同性也能相吸的實(shí)驗(yàn),是否顛覆了我們以往的科學(xué)認(rèn)知呢? 以下設(shè)計(jì)磁鐵同性相吸實(shí)驗(yàn),不但增添演示實(shí)驗(yàn)的趣味性,還能夠激發(fā)學(xué)生發(fā)現(xiàn)生活中普遍存在的物理現(xiàn)象,增強(qiáng)對(duì)物理現(xiàn)象的求知欲和探索熱情.

2 磁鐵實(shí)驗(yàn)原理

自然界中的磁體擁有兩個(gè)磁極,磁極相互靠近時(shí)存在以下兩種現(xiàn)象:同名磁極相互排斥,異名磁極相互吸引.但是以下實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)一種奇異的物理現(xiàn)象,把同名磁極相互靠攏時(shí)也能相互吸引.為什么會(huì)出現(xiàn)這樣看似反常的狀況呢?筆者從以下方面進(jìn)行分析.磁滯回線表示磁場(chǎng)強(qiáng)度周期性變化時(shí),強(qiáng)磁性物質(zhì)磁滯現(xiàn)象的閉合磁化曲線,根據(jù)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(gè)永磁體的磁場(chǎng)線和一個(gè)附加軟磁材料的永磁體磁場(chǎng)線.從圖中可以看出附加軟磁材料對(duì)永磁體的磁場(chǎng)并沒有影響.

圖1 附加軟磁材料的永磁體磁場(chǎng)

原有的附加軟磁材料棒的永磁體N極,如果靠近另一個(gè)永磁體N極,剛開始磁場(chǎng)間的斥力很強(qiáng),這就是我們熟悉的同名磁鐵相互排斥現(xiàn)象.但是當(dāng)兩個(gè)磁鐵靠近到某個(gè)特定距離時(shí),排斥力突然變成吸引力,也就是兩個(gè)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(tài)發(fā)生改變,其尖部的磁疇靠近另一個(gè)永磁體的強(qiáng)磁場(chǎng),導(dǎo)致它的磁矩方向發(fā)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(jìn)行實(shí)驗(yàn),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?yàn)闂l形磁鐵的磁性較強(qiáng),當(dāng)它迅速靠近小磁針時(shí), 小磁針來不及被同名磁極排斥,受到條形磁鐵強(qiáng)磁場(chǎng)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(xiàn)同名磁極相吸引的假象.[3]

3 磁鐵實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

根據(jù)以上的理論基礎(chǔ),筆者設(shè)計(jì)如下課堂演示實(shí)驗(yàn).

如圖3所示,整個(gè)裝置通過兩根鐵棒固定于底托平臺(tái)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(duì)條形磁鐵2的作用力.彈簧上邊有一個(gè)木板托盤,木塊托盤可上下移動(dòng),條形磁鐵2對(duì)彈簧的壓力可通過木塊托盤傳導(dǎo).將條形磁鐵1和條形磁鐵2通過強(qiáng)力膠固定在固定木塊上,固定木塊相對(duì)鐵棒上下移動(dòng),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(shí)驗(yàn)

3.1 條形磁鐵與縫衣針實(shí)驗(yàn)

中學(xué)生已經(jīng)熟悉“將縫衣針放在碗里的水上,觀察小磁針偏轉(zhuǎn)情況”實(shí)驗(yàn).現(xiàn)在同樣讓學(xué)生動(dòng)手制作并演示縫衣針偏轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn),但是實(shí)驗(yàn)裝置和方法發(fā)生改變,會(huì)顛覆學(xué)生以往對(duì)磁場(chǎng)同性相斥、異性相吸的認(rèn)識(shí).

教師為每位學(xué)生準(zhǔn)備好1根縫衣針、1塊條形磁鐵和1根細(xì)線.

以下是部分課堂過程.

師:同學(xué)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(zhuǎn)情況”的實(shí)驗(yàn)嗎?我們將一碗水放在室外,然后將細(xì)小的縫衣針輕輕地放在水面上,觀察小磁針偏轉(zhuǎn)情況,大家能否回憶一下當(dāng)時(shí)小磁針如何偏轉(zhuǎn)的呢?

生1:縫衣針會(huì)緩慢地偏轉(zhuǎn),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(shí)縫衣針的偏向是不具體的,因?yàn)榭p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?nèi)绾巫屝〈裴槑洗判阅?大家有沒有這方面的生活經(jīng)驗(yàn)?zāi)?

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(xué)的生活經(jīng)驗(yàn)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(jìn)行檢驗(yàn).

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(xì)線綁在中間位置,使縫衣針處于水平狀態(tài)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(biāo)記.

現(xiàn)在我們已經(jīng)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(xì)線懸掛起來,使縫衣針處于水平狀態(tài).

師:同學(xué)們,實(shí)驗(yàn)的前期工作我們都已經(jīng)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(xiàn)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(xiàn)象嗎?

生:縫衣針旋轉(zhuǎn)并且針尖處靠近條形磁鐵.

師:為什么會(huì)出現(xiàn)這樣的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)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(xì)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(huì)出現(xiàn)怎樣的現(xiàn)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(huì)出現(xiàn)這種情況呢?

師:因?yàn)闂l形磁鐵的迅速靠近改變了縫衣針原有的磁場(chǎng)分布,使縫衣針與條形磁鐵相吸,大家試試看能不能出現(xiàn)和我的一樣的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象?

安排學(xué)生進(jìn)行分組實(shí)驗(yàn),為學(xué)生講解產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的原因.

3.2 條形磁鐵同性相吸的演示實(shí)驗(yàn)

由于該實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)裝置過于復(fù)雜,不安排學(xué)生進(jìn)行動(dòng)手實(shí)驗(yàn),教師只需在課堂上進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn),并向?qū)W生講明實(shí)驗(yàn)原理.本實(shí)驗(yàn)分為兩個(gè)部分進(jìn)行:第1部分進(jìn)行異性相吸實(shí)驗(yàn),目的是向?qū)W生介紹引入該實(shí)驗(yàn)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?qū)椈衫?第2部分進(jìn)行同性相吸的實(shí)驗(yàn)演示,讓學(xué)生了解同性相吸的過程.具體的課堂演示過程如下.

師:同學(xué)們,我們?cè)诔踔械臅r(shí)候就已經(jīng)學(xué)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(duì)以往的知識(shí)記憶都牢固的哦.如果說今天我告訴大家同性相吸大家會(huì)相信嗎?

生:不相信.

師:既然大家都不相信,那我就用實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象告訴大家事實(shí).

將實(shí)驗(yàn)儀器至于水平講臺(tái)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(gè)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(yùn)動(dòng),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(zhuǎn)變,使S極朝上.

用力緩慢地?cái)D壓條形磁鐵1,可以發(fā)現(xiàn)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(dāng)兩塊磁鐵逐漸靠近的時(shí)候,發(fā)現(xiàn)他們之間相互吸引了,手提條形磁鐵1往上拉,發(fā)現(xiàn)彈簧逐漸伸長至原長后繼續(xù)伸長,由此說明了磁鐵同性相吸的實(shí)驗(yàn)原理.

師:同學(xué)們,以上現(xiàn)象告訴我們,通過改變實(shí)驗(yàn)條件,實(shí)驗(yàn)就會(huì)呈現(xiàn)出不一樣的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象.下面我請(qǐng)同學(xué)們親手做一下同性相吸的實(shí)驗(yàn).

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

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

3 董繼舒, 賈克鈞. 對(duì)幾個(gè)“反?！贝努F(xiàn)象的分析[J]. 物理教師, 1994(9):10-11.

2017-08-04)