巧用环形磁体“演示”牛顿的抛体运动图

乐清富

人教版和司南版的《物理2》都有这样的内容：在《自然哲学的数学原理》一书中，牛顿用一张图(如图1所示)解释行星能保持在某轨道运行的原因．牛顿认为“由于向心力，行星会沿某一轨道运动．如果考虑抛体运动，这一点就容易理解了：投掷一块石头，该石头理应做直线运动，但由于其自身的重力，石头离开直线路径，做曲线运动，最终落于地面；投掷速度越大，落地点距投掷点越远．于是我们假设随着速度的不断增大，石头在落地前画出1、2、5、10、100或1000英里长的弧线，直至最后超H{地球的限度，进入空间永不回地球．”

在教学中，笔者发现：学生由于学过物体的平抛运动，所以不难理解随着投掷石头的速度不断增大，石头在落地前画出1、2、5、10、100或1000英里长的弧线，但对“石头速度大到一定值后，进入空间永不回地球”就难以理解．笔者认为主要原因是：学生没有类似的经验，在日常生活中也没有见过类似的模型．如果无法突破这个难点，将会影响学生学习“人造地球卫星”有关知识．为此，笔者设计如下演示实验．取得了较好的效果．

取两个环形磁体(大的可取自废旧扬声器，小的可取自吸附在磁性黑板的小磁体)，两个环形磁体在整个圆周都可以相互吸引，可以和地球吸引卫星相类比．可按以下步骤演示

1．固定大的环形磁体在比较光滑的平面上(如水平放置的玻璃)，如果小环形磁体初速度为零．它将被吸到大环形磁体上，运动轨迹是两环形磁体圆心连线．两个环形磁体在整个圆周都可以相互吸引，引力指向大环形磁体的圆心，好比石头受到的地球引力是指向地心．

2．给小的环形磁体一定初速度，小环形磁体在磁体间引力作用下，经过一段弧线，“落到”大的环形磁体；不断加大小环形磁体的速度，小环形磁体所经过的弧线变长，直到绕大环形磁体做“圆周运动”，好比石头速度大到一定值后，进入空间永不回地球，绕地球做圆周运动(如图2所示)．

3．由于小环形磁体运动持续时间很短，有条件可用高速摄像机拍下小环形磁体运动过程，然后慢速播放，便于学生观察小环形磁体的运动轨迹，效果更好．

笔者通过该演示实验成功地模拟了“牛顿的抛体运动图”，但同时也注意到：由于受到摩擦力的作用，小环形磁体在运动过程中，速度会减慢，最终会“落到”大环形磁体上，所以实验应尽可能在光滑的平面上进行．