平面磁体在物理实验中的应用

吴春良

摘要:形状扁平的磁体可以称为平面磁体,作者介绍了利用平面磁体来改进实验教学的若干生动事例。

关键词:平面磁体;实验教学;范例

中图分类号:G633.7 文献标识码:A文章编号:1003-6148(2009)11(S)-0061-2

在传统的电学实验中,经常使用的磁体的外型呈条形,蹄形,针形。近些年来随着相关产业的技术进步,许多磁力强,形状扁平的磁体进入了我们的生活,可以将它们称为平面磁体。笔者在教学实践中发现,恰当、合理的利用平面磁体来进行实验教学,会收到意想不到的效果。

1 从日常生活中发现平面磁体

玻璃清洁器(图1),利用了两块清洁板中磁体的相互作用牢牢的吸引在一起,只要移动室内的一块,室外的另一块在磁力的作用下也会跟着一起运动,说明清洁板的磁体具有极强的磁性。且现在大多学校的黑板均为成品的铁质黑板,把玻璃清洁器中的平面磁体(图2)取出后放于黑板上,由于吸引力极大,稳定性很好。另外,废旧收音机扬声器上的环形平面磁体(图3)也具有相同的效果。

2 实际应用

2.1 探究求合力方法实验

人教版高中《物理》《力的合成》,在探究求合力方法的实验中,教材上的演示实验装置及实验步骤如下。(1)在两个定滑轮下挂钩码,让橡皮条GE在两个拉力F₁、F₂共同作用下沿某一直线伸长长度EO。记下O点位置及的F₁、F₂大小、方向(如图4甲)。(2)在一个定滑轮下挂钩码,让橡皮条GE在一个拉力F的作用下再次伸长EO,记下F的大小、方向(如图4乙)。再如图4(丙)用力的图示法分别作出F₁、F₂和F,用虚线把F₁、F₂和F的矢端连起来应近似为一个平行四边形,从而得出合力与分力遵循平行四边形定则的结论。对应的学生实验是在水平面内通过弹簧秤拉橡皮条来进行,较易完成。而此实验要求在竖直平面内完成,在实际操作中存在着一个很大的问题,即滑轮的固定及调节问题。滑轮的安装必须有一定的牢度,否则无法承受悬挂钩码后所受到的作用力,若采用“板上钉钉”的方式则无法调节。为此,笔者利用平面磁体对本实验进行了改进,使它更便于操作,实验结果更精确。

具体做法:在环形平面磁体中心塞一木塞再拧上一长螺丝,吸于黑板上用于固定橡皮条左端(G点)(图5)。把铁框滑轮吸于平面磁体上,再吸于黑板上,系好橡皮条和细绳,让细绳穿过滑轮,挂上钩码即可实验(图6~8)。优点一:滑轮位置可以调节,可以得到很多组结果,使实验更具有普遍性,更有说服力。优点二:可以用粉笔直接把点和线标在黑板上,作图方便,可视度高。

2.2 探究影响单摆振动周期的因素实验

人教版高中《物理》《单摆》,在探究影响单摆振动周期的因素时,如摆球的质量、振幅、摆长等对周期的影响,教材上的演示实验装置及步骤如下:在两个铁架台的横梁上固定两个单摆,按照质量不同、振幅不同、摆长不同三种情况,把它们拉起一定角度后同时释放,观察两摆的振动情况,从而得出结论(图9)。在实际操作中存在的问题是:(1)在小角度下振动的情况下振幅的比较很困难;(2)不同铁架台的两单摆摆长难以比较,特别是在做振幅与质量对周期影响的实验时难以做到摆长完全一致,从而影响到实验的可视度和可信度。 为此笔者也通过利用平面磁体对该实验进行了改进,方法如下:

在铁质黑板上悬挂四个单摆,其中1、2为相同的小钢球,3、4为相同的塑料球,四个球大小形状完全相同,且1、2、3摆长相同,4摆长较短(图10)。悬点的固定方法,采用平面磁体吸住铁夹的方式(图11,此处所用磁体为图2中二块叠合而成)。探究摆球质量对周期的影响时,可通过1、3或2、3两球,在摆长、摆角均相同的情况下比较它们的振动情况。探究振幅对周期的影响时,可通过1、2两球,在质量、摆长相同但摆角不同的情况下比较它们的振动情况。探究摆长对周期的影响时,可通过3、4两球,在质量、振幅相同的情况下比较它们的振动情况。此装置舍去了铁架台,利用了平面磁体与铁夹,把器材搬上了黑板,增加了可视度和可操作性。有以下几个优点:(1)利用黑板上的水平线,四个摆的悬点很容易调整到同一高度,且很稳定;(2)铁夹的使用使摆长的调节变得极为方便;(3)通过在黑板上作标记的方式,使最难比较的小角度下的振幅也容易看出来。

相比以上几个因素,重力加速度对振动周期的影响则更难比较,教材上没有方法介绍。据笔者了解,好多教师都仅采用理论分析的方法来解释。也有资料介绍可以在摆球下放一磁铁,使摆球受到向下的磁力作用来等效增大重力的方法。但实验设计时存在许多困难。笔者通过多次实践,在图10的基础上,在其中一个小钢球下的黑板上吸附一平面磁体的方式来做此实验,取得了良好的教学效果。现将实验方法介绍如下:

如图12所示,在小钢球1的下方约7厘米处吸附一平面磁体,使它的N极和S极在上下位置(此处所用磁体为图2中二块叠合而成)。通过1、2两球,在质量、振幅、摆长均相同的情况下比较它们的振动情况,可发现,下面有磁体的钢球1振动比2周期更短,频率更快,从而得出结论。

3 应用前景

除了以上两处可以利用平面磁体以外,如在演示磁体间的相互作用时,特别是演示磁悬浮时,可采用在比平面磁体略大的竖直透明管中,让两块磁体同名磁极相对,上面的一块即可悬浮在空中(图13)。另外,在测玻璃砖折射率的实验中,教材上采用在木板上插大头针的做法,在实际操作中往往需要用重物敲击大头针才能插牢,很麻烦且大头针浪费严重。若用平面磁体侧面吸附大头针的方式则十分方便(图14),也可以提高实验效率和精确度。

利用新材料来改进物理实验,值得思考,值得老师们进一步研究。

参考文献:

[1]普通高中课程标准实验教科书《物理》必修1.北京:人民教育出版社,2005.(66)

[2]普通高中课程标准实验教科书《物理》选修3-4.北京:人民教育出版社,2007.(14)

(栏目编辑王柏庐)