辜金星

(浙江省杭州第九中學(xué) 浙江 杭州 310020)

1 問(wèn)題的發(fā)現(xiàn)

在演示渦流及渦流阻礙相對(duì)運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象時(shí)，我們同時(shí)讓強(qiáng)磁鐵圓片和奶片(非磁性物體)沿鋁合金板構(gòu)成的斜面下滑，發(fā)現(xiàn)強(qiáng)磁鐵圓片要慢許多.同時(shí)，觀察細(xì)致的學(xué)生還會(huì)發(fā)現(xiàn)強(qiáng)磁鐵圓片下滑時(shí)有時(shí)是旋轉(zhuǎn)的.于是課后師生共同展開(kāi)了進(jìn)一步的研究.

2 實(shí)驗(yàn)器材

強(qiáng)磁鐵圓片(圓柱體直徑約12 mm，厚約4 mm，先已確定兩個(gè)圓面的N和S極)1片，奶片1片，鋁合金板(長(zhǎng)約1 200 mm，寬約120 mm，厚度適中)1塊，支架，指南針等.

3 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

將鋁合金板固定在支架上，調(diào)整傾角，形成一個(gè)傾角大約為75°左右的斜面.讓強(qiáng)磁鐵圓片的一個(gè)圓面貼緊鋁合金板從上端無(wú)初速度滑下，可以觀察到以下物理現(xiàn)象.

(1)無(wú)論鋁合金板斜面是東西方向還是南北方向放置，也無(wú)論貼緊鋁合金板的強(qiáng)磁鐵圓面是N極還是S極，強(qiáng)磁鐵圓片都是緩慢的下滑，比奶片等非磁性物體的下滑要慢了許多.

(2)鋁合金板斜面沿南北方向放置，無(wú)論斜面是南高北低還是南低北高，也無(wú)論貼緊鋁合金板的強(qiáng)磁鐵圓面是N極還是S極，強(qiáng)磁鐵圓片下滑時(shí)都不會(huì)旋轉(zhuǎn).

(3)鋁合金板斜面沿東西方向放置，無(wú)論斜面是東高西低還是東低西高，也無(wú)論貼緊鋁合金板的強(qiáng)磁鐵圓面是N極還是S極，強(qiáng)磁鐵圓片下滑時(shí)都會(huì)旋轉(zhuǎn)，具體的旋轉(zhuǎn)方向如表1所示.

表1 強(qiáng)磁鐵圓片下滑時(shí)的旋轉(zhuǎn)方向

4 相關(guān)解釋

(1)強(qiáng)磁鐵圓片沿鋁合金板斜面的下滑為什么是“緩慢”的？

強(qiáng)磁鐵圓片沿鋁合金板斜面下滑時(shí)，在鋁合金板內(nèi)有磁通量的變化，形成了渦流，這些渦流便會(huì)對(duì)強(qiáng)磁鐵圓片產(chǎn)生力的作用，即相當(dāng)于施加一個(gè)沿斜面向上的磁場(chǎng)力F磁，其效果是“挽留”下滑的強(qiáng)磁鐵圓片，對(duì)于強(qiáng)磁鐵而言，這種“挽留”的效果是相當(dāng)?shù)拿黠@.

對(duì)強(qiáng)磁鐵圓片下滑時(shí)的受力情況可以用圖1作初步的分析.設(shè)斜面的動(dòng)摩擦因數(shù)為μ，斜面與水平面夾角為θ，于是，強(qiáng)磁鐵圓片下滑時(shí)的加速度為

對(duì)于非磁性物體，由于不存在這些渦流，也就不會(huì)受到磁場(chǎng)力F磁的作用，其下滑時(shí)的加速度僅為

a非=gsinθ-μgcosθ

因?yàn)閍磁

圖1 強(qiáng)磁鐵圓片下滑時(shí)的受力分析

(2)鋁合金板斜面沿南北方向放置，強(qiáng)磁鐵圓片的下滑為什么都不會(huì)旋轉(zhuǎn)?

鋁合金板斜面沿南北方向放置，強(qiáng)磁鐵圓片除了受到上述分析的力之外，還受到地磁場(chǎng)的作用，N極受到向北的作用力，S極受到向南的作用力，這樣的一對(duì)力對(duì)于強(qiáng)磁鐵圓片的運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生一定的影響.

當(dāng)鋁合金板斜面南低北高，若強(qiáng)磁鐵圓片S極貼緊鋁合金板下滑時(shí)，強(qiáng)磁鐵圓片的受力情況可用圖2來(lái)示意.強(qiáng)磁鐵圓片與斜面極端的接觸及受力作用情況可用圖3來(lái)示意，壓力的作用點(diǎn)可視為上側(cè)的底邊緣點(diǎn)，強(qiáng)磁鐵圓片的下滑只可能有些搖擺，但不會(huì)旋轉(zhuǎn).若N極貼緊鋁合金板下滑時(shí)，強(qiáng)磁鐵圓片與斜面極端的接觸及受力作用情況可用圖4來(lái)示意，壓力的作用點(diǎn)可視為下側(cè)的底邊緣點(diǎn)，強(qiáng)磁鐵圓片的下滑也只可能有些搖擺，但不會(huì)旋轉(zhuǎn).

圖2 鋁合金板南低北高放置，強(qiáng)磁鐵S極貼緊板面

圖3 鋁合金板南低北高放置，強(qiáng)磁鐵S極即將離開(kāi)板面

圖4 鋁合金板南低北高放置，強(qiáng)磁鐵N極即將離開(kāi)板面

(3)鋁合金板斜面沿東西方向放置，強(qiáng)磁鐵圓片的下滑為什么都會(huì)旋轉(zhuǎn)?

若鋁合金板斜面沿東西方向東低西高放置，當(dāng)強(qiáng)磁鐵圓片S極貼緊鋁合金板下滑時(shí)，強(qiáng)磁鐵圓片與斜面極端的接觸及受力作用情況可用圖5來(lái)示意，壓力的作用點(diǎn)可視為正北側(cè)的底邊緣點(diǎn).此時(shí)，正北側(cè)底邊緣點(diǎn)的摩擦相對(duì)較大，而正南側(cè)底邊緣點(diǎn)的摩擦相對(duì)較小，可理解為正北側(cè)底邊緣點(diǎn)的下滑受阻明顯，而正南側(cè)底邊緣點(diǎn)的下滑幾乎沒(méi)有什么阻礙，于是強(qiáng)磁鐵圓片便會(huì)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)下去.

圖5 鋁合金板沿東西向放置，強(qiáng)磁鐵圓片S極即將離開(kāi)板面

關(guān)于表1中另外3種旋轉(zhuǎn)情況的解釋?zhuān)寂c上述情況類(lèi)似，這里不再贅述.

5 幾點(diǎn)說(shuō)明

(1)除了沿東西和南北方向放置鋁合金板斜面之外，其余方向上的下滑情況相對(duì)較為復(fù)雜一些，但均可用上述的解釋方法去處理，在這就不作詳細(xì)討論了.

(2)我們把本實(shí)驗(yàn)從北半球搬運(yùn)到南半球的澳大利亞重做，發(fā)現(xiàn)結(jié)論不變.這說(shuō)明用地磁場(chǎng)的影響來(lái)解釋相關(guān)現(xiàn)象是正確的，與地球的轉(zhuǎn)動(dòng)無(wú)關(guān).

(3)應(yīng)該支持和鼓勵(lì)學(xué)生廣泛開(kāi)展類(lèi)似的科學(xué)探究活動(dòng)，增強(qiáng)動(dòng)手能力，提高分析和解決問(wèn)題的能力，鍛煉思維能力、創(chuàng)新能力，提升核心素養(yǎng).