用强磁铁改进一组传统演示实验

耿宜宏

（江苏省前黄高级中学，江苏 常州 213161）

钕铁硼磁性材料，作为稀土永磁材料发展的最新成果，由于其优异的磁性能而被称为“磁王”.钕铁硼和我们平时见到的磁铁所不同的是一种具有极高的磁能积和矫顽力，同时高能量密度的优点使钕铁硼永磁材料在现代工业和电子技术中获得了广泛应用，从而使仪器、仪表、电声电机、磁选磁化等设备的小型化、轻量化、薄型化成为可能.去年我校购进一些小型强磁铁被应用到传统的演示实验中，对经典的演示实验进行了改进，取得出人意料的效果.本文通过几个典型实例来加以说明，以抛砖引玉.

案例1.物体做曲线运动的条件.

人教版高中物理教材必修2第6页物体做曲线运动的条件演示实验：一个在水平面上做直线运动的钢球，从侧面给它一个力，如在钢球运动路线的旁边放一块磁铁，观察钢球的运动.

此实验大多数教师不想做，其原因是让小球从斜面某一高度滚下来，如果速度过大，轨道弯曲不明显（如图1所示）；如果速度过小，小铁球与磁铁靠得太近又会被磁铁吸住.改进方法就是在磁铁一端加上两块小的强磁铁（如图2所示），让小球从一定的高度滚时，轨道弯曲现象就很明显了.另外小球用鼠标内的磁性小球，效果更佳.

图1

图2

案例2.楞次定律的演示.

人教版高中物理教材选修3-2第14页第6题讨论产生感应电流的条件问题，讨论的结果教师通常用演示实验来验证.常用的旋转式楞次定律演示器如图3所示.图中为两个很轻的铝环，其中一环闭合，另一环断开.将条形磁铁的N极或S极靠近闭合环时，闭合环将朝远离磁铁的方向运动，若将磁铁从闭合环中拔出，闭合环将朝靠近磁铁方向运动；磁铁靠近或远离断开环时，断开环不动.

在演示该实验时用一根条形磁铁插入闭合铝环时现象并不明显，主要原因是单匝铝框的磁通量变化较弱，产生的感应电动势和感应电流不大，因此感应电流的磁场不强，原磁场与感应电流的磁场作用力不大.为了使演示现象明显，往往使用两根条形磁铁合在一起插入以求产生明显的效果.但由于圆环的面积较小，快速插入时金属环容易因碰触而运动，操作上不方便.

图3

在条形磁铁的一端加2块小的强磁铁（如图4所示），实验变得容易多了.当强磁铁较慢靠近闭合铝环时，铝环就会因避让而转动；持续跟进，铝环持续同向转动；将强磁铁停靠于铝环后再后移，铝环又会像个跟屁虫似的跟着运动；快速转动圆环时，将强磁铁介入，圆环会在磁铁面前戛然而止.实验操作简单，效果好.

图4

案例3.磁体在铜管的运动.

人教版高中物理教材选修3-2第28页中有一个练习题：在科技馆中常看到这样的表演，将一根长1m左右的空心铝管竖直放置，把一枚磁性很强且直径略小于铝管内径的小圆柱永磁体从铝管上端放入管口.根据一般经验，小圆柱自由下落1m左右的时间不会超过0.5s，但小圆柱过了许久才从铝管下端落出.小圆柱在管内运动时，没有感觉到它跟铝管内壁发生明显摩擦，把小圆柱靠着铝管，也不见它们吸引.是什么原因使小圆柱在铝管中缓慢下落呢？如果换用一条有裂缝的铝管，小圆柱在其中的下落就快得多.这又是为什么呢？书本插图如图5所示.

图5

图6

实验采用有裂缝的铝管来进行实验对比，目的是让学生理解涡电流的磁场阻碍了相对运动，但寻找或制作实验所需有裂缝的铝管是困难的.因此我们采用相同粗细和长度的铜管和塑料管进行实验对比.如图6所示，让强磁铁块同时从管的上端由静止释放，让学生用秒表分别记录两个强磁铁块的运动时间.现象明显，效果好.

案例4.磁体在铜管的运动实验的改进.

上述实验虽然现象明显，但学生看不到两个强磁铁的具体运动过程.为此我们又对此实验做了改进.让两个相同的强磁铁放在同一倾斜的玻璃板上，从同一高度释放，两强磁铁同时到达底边；当在玻璃板下面放一块铝板（如图7所示），再让两强磁铁从同一高度同时释放，结果发现有铝板的一边强磁铁明显慢于没有铝板的强磁铁的运动.强磁铁变慢的原因是因为有铝板的存在，即涡流的作用结果，学生能看到两强磁铁的具体运动过程，现象明显，又优于让强磁铁在铜管和塑料管看不见的运动.

案例5.电磁驱动与电磁阻尼.

金属块处在变化的磁场中会产生涡电流，涡电流受磁场作用形成电磁驱动或电磁阻尼现象.图8是电磁阻尼摆演示仪.用一般实验室中的铁氧体U型磁体，经过多次磁体的运动才能使铝板运动起来，同样要使运动起来的铝板停止运动，也要经过较长的时间.

图7

图8

如果在蹄形的磁铁的内侧各加上1个强磁铁，驱动和阻尼现象就十分明显了.如图8所示，当强磁铁靠近正在摆动的铝板时，铝板马上停止运动.而靠近梳状结构的铝板时，仍然能摆动一段时间停下，对比实验现象特别明显.如果将强磁铁先停靠于铝板平衡位置处，然后开始沿摆动平面左右移动磁铁，原本静止的铝板就跟着摆动起来.如操控适当，铝板摆动的幅度会越来越大.这个实验给学生留下了电磁驱动的深刻印象.

由于教学磁铁多半是用于学生分组实验及教师课堂演示之用，为避免夹伤手指，此类磁铁均为磁力较小的铁氧体磁铁.虽然目前中学物理实验室里还没有配备钕铁硼磁钢做成的条形和U形磁铁，但由于钕铁硼磁钢磁场强，体积可以做得小些，重量轻些，作为一种新材料、新器材，在物理实验中的应用正不断的被开发.

1 申高文.用强磁铁做电磁学实验［J］.物理教师，2009（11）.

2 欧剑雄.高中物理实验的创新性设计［J］.物理教学，2013（11）.

3 耿宜宏.创新演示实验让课堂教学更精彩［J］.物理教师，2014（1）.