耿宜宏

（江蘇省前黃高級(jí)中學(xué)，江蘇 常州 213161）

釹鐵硼磁性材料，作為稀土永磁材料發(fā)展的最新成果，由于其優(yōu)異的磁性能而被稱(chēng)為“磁王”.釹鐵硼和我們平時(shí)見(jiàn)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(shí)高能量密度的優(yōu)點(diǎn)使釹鐵硼永磁材料在現(xiàn)代工業(yè)和電子技術(shù)中獲得了廣泛應(yīng)用，從而使儀器、儀表、電聲電機(jī)、磁選磁化等設(shè)備的小型化、輕量化、薄型化成為可能.去年我校購(gòu)進(jìn)一些小型強(qiáng)磁鐵被應(yīng)用到傳統(tǒng)的演示實(shí)驗(yàn)中，對(duì)經(jīng)典的演示實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了改進(jìn)，取得出人意料的效果.本文通過(guò)幾個(gè)典型實(shí)例來(lái)加以說(shuō)明，以?huà)伌u引玉.

案例1.物體做曲線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的條件.

人教版高中物理教材必修2第6頁(yè)物體做曲線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的條件演示實(shí)驗(yàn)：一個(gè)在水平面上做直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的鋼球，從側(cè)面給它一個(gè)力，如在鋼球運(yùn)動(dòng)路線(xiàn)的旁邊放一塊磁鐵，觀察鋼球的運(yùn)動(dòng).

此實(shí)驗(yàn)大多數(shù)教師不想做，其原因是讓小球從斜面某一高度滾下來(lái)，如果速度過(guò)大，軌道彎曲不明顯（如圖1所示）；如果速度過(guò)小，小鐵球與磁鐵靠得太近又會(huì)被磁鐵吸住.改進(jìn)方法就是在磁鐵一端加上兩塊小的強(qiáng)磁鐵（如圖2所示），讓小球從一定的高度滾時(shí)，軌道彎曲現(xiàn)象就很明顯了.另外小球用鼠標(biāo)內(nèi)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(yè)第6題討論產(chǎn)生感應(yīng)電流的條件問(wèn)題，討論的結(jié)果教師通常用演示實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證.常用的旋轉(zhuǎn)式楞次定律演示器如圖3所示.圖中為兩個(gè)很輕的鋁環(huán)，其中一環(huán)閉合，另一環(huán)斷開(kāi).將條形磁鐵的N極或S極靠近閉合環(huán)時(shí)，閉合環(huán)將朝遠(yuǎn)離磁鐵的方向運(yùn)動(dòng)，若將磁鐵從閉合環(huán)中拔出，閉合環(huán)將朝靠近磁鐵方向運(yùn)動(dòng)；磁鐵靠近或遠(yuǎn)離斷開(kāi)環(huán)時(shí)，斷開(kāi)環(huán)不動(dòng).

在演示該實(shí)驗(yàn)時(shí)用一根條形磁鐵插入閉合鋁環(huán)時(shí)現(xiàn)象并不明顯，主要原因是單匝鋁框的磁通量變化較弱，產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和感應(yīng)電流不大，因此感應(yīng)電流的磁場(chǎng)不強(qiáng)，原磁場(chǎng)與感應(yīng)電流的磁場(chǎng)作用力不大.為了使演示現(xiàn)象明顯，往往使用兩根條形磁鐵合在一起插入以求產(chǎn)生明顯的效果.但由于圓環(huán)的面積較小，快速插入時(shí)金屬環(huán)容易因碰觸而運(yùn)動(dòng)，操作上不方便.

圖3

在條形磁鐵的一端加2塊小的強(qiáng)磁鐵（如圖4所示），實(shí)驗(yàn)變得容易多了.當(dāng)強(qiáng)磁鐵較慢靠近閉合鋁環(huán)時(shí)，鋁環(huán)就會(huì)因避讓而轉(zhuǎn)動(dòng)；持續(xù)跟進(jìn)，鋁環(huán)持續(xù)同向轉(zhuǎn)動(dòng)；將強(qiáng)磁鐵?？坑阡X環(huán)后再后移，鋁環(huán)又會(huì)像個(gè)跟屁蟲(chóng)似的跟著運(yùn)動(dòng)；快速轉(zhuǎn)動(dòng)圓環(huán)時(shí)，將強(qiáng)磁鐵介入，圓環(huán)會(huì)在磁鐵面前戛然而止.實(shí)驗(yàn)操作簡(jiǎn)單，效果好.

圖4

案例3.磁體在銅管的運(yùn)動(dòng).

人教版高中物理教材選修3-2第28頁(yè)中有一個(gè)練習(xí)題：在科技館中?？吹竭@樣的表演，將一根長(zhǎng)1m左右的空心鋁管豎直放置，把一枚磁性很強(qiáng)且直徑略小于鋁管內(nèi)徑的小圓柱永磁體從鋁管上端放入管口.根據(jù)一般經(jīng)驗(yàn)，小圓柱自由下落1m左右的時(shí)間不會(huì)超過(guò)0.5s，但小圓柱過(guò)了許久才從鋁管下端落出.小圓柱在管內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)，沒(méi)有感覺(jué)到它跟鋁管內(nèi)壁發(fā)生明顯摩擦，把小圓柱靠著鋁管，也不見(jiàn)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(shū)本插圖如圖5所示.

圖5

圖6

實(shí)驗(yàn)采用有裂縫的鋁管來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比，目的是讓學(xué)生理解渦電流的磁場(chǎng)阻礙了相對(duì)運(yùn)動(dòng)，但尋找或制作實(shí)驗(yàn)所需有裂縫的鋁管是困難的.因此我們采用相同粗細(xì)和長(zhǎng)度的銅管和塑料管進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比.如圖6所示，讓強(qiáng)磁鐵塊同時(shí)從管的上端由靜止釋放，讓學(xué)生用秒表分別記錄兩個(gè)強(qiáng)磁鐵塊的運(yùn)動(dòng)時(shí)間.現(xiàn)象明顯，效果好.

案例4.磁體在銅管的運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)的改進(jìn).

上述實(shí)驗(yàn)雖然現(xiàn)象明顯，但學(xué)生看不到兩個(gè)強(qiáng)磁鐵的具體運(yùn)動(dòng)過(guò)程.為此我們又對(duì)此實(shí)驗(yàn)做了改進(jìn).讓兩個(gè)相同的強(qiáng)磁鐵放在同一傾斜的玻璃板上，從同一高度釋放，兩強(qiáng)磁鐵同時(shí)到達(dá)底邊；當(dāng)在玻璃板下面放一塊鋁板（如圖7所示），再讓兩強(qiáng)磁鐵從同一高度同時(shí)釋放，結(jié)果發(fā)現(xiàn)有鋁板的一邊強(qiáng)磁鐵明顯慢于沒(méi)有鋁板的強(qiáng)磁鐵的運(yùn)動(dòng).強(qiáng)磁鐵變慢的原因是因?yàn)橛袖X板的存在，即渦流的作用結(jié)果，學(xué)生能看到兩強(qiáng)磁鐵的具體運(yùn)動(dòng)過(guò)程，現(xiàn)象明顯，又優(yōu)于讓強(qiáng)磁鐵在銅管和塑料管看不見(jiàn)的運(yùn)動(dòng).

案例5.電磁驅(qū)動(dòng)與電磁阻尼.

金屬塊處在變化的磁場(chǎng)中會(huì)產(chǎn)生渦電流，渦電流受磁場(chǎng)作用形成電磁驅(qū)動(dòng)或電磁阻尼現(xiàn)象.圖8是電磁阻尼擺演示儀.用一般實(shí)驗(yàn)室中的鐵氧體U型磁體，經(jīng)過(guò)多次磁體的運(yùn)動(dòng)才能使鋁板運(yùn)動(dòng)起來(lái)，同樣要使運(yùn)動(dòng)起來(lái)的鋁板停止運(yùn)動(dòng)，也要經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)的時(shí)間.

圖7

圖8

如果在蹄形的磁鐵的內(nèi)側(cè)各加上1個(gè)強(qiáng)磁鐵，驅(qū)動(dòng)和阻尼現(xiàn)象就十分明顯了.如圖8所示，當(dāng)強(qiáng)磁鐵靠近正在擺動(dòng)的鋁板時(shí)，鋁板馬上停止運(yùn)動(dòng).而靠近梳狀結(jié)構(gòu)的鋁板時(shí)，仍然能擺動(dòng)一段時(shí)間停下，對(duì)比實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象特別明顯.如果將強(qiáng)磁鐵先?？坑阡X板平衡位置處，然后開(kāi)始沿?cái)[動(dòng)平面左右移動(dòng)磁鐵，原本靜止的鋁板就跟著擺動(dòng)起來(lái).如操控適當(dāng)，鋁板擺動(dòng)的幅度會(huì)越來(lái)越大.這個(gè)實(shí)驗(yàn)給學(xué)生留下了電磁驅(qū)動(dòng)的深刻印象.

由于教學(xué)磁鐵多半是用于學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)及教師課堂演示之用，為避免夾傷手指，此類(lèi)磁鐵均為磁力較小的鐵氧體磁鐵.雖然目前中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)室里還沒(méi)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(chǎng)強(qiáng)，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(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用正不斷的被開(kāi)發(fā).

1 申高文.用強(qiáng)磁鐵做電磁學(xué)實(shí)驗(yàn)［J］.物理教師，2009（11）.

2 歐劍雄.高中物理實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新性設(shè)計(jì)［J］.物理教學(xué)，2013（11）.

3 耿宜宏.創(chuàng)新演示實(shí)驗(yàn)讓課堂教學(xué)更精彩［J］.物理教師，2014（1）.