磁铁同性相吸趣味实验与教学设计

2017-12-01黄明超陈春良

物理教师 2017年11期

关键词：缝衣针磁针条形

黄明超陈春良

(广西民族大学理学院物理实验中心,广西南宁 530006)

磁铁同性相吸趣味实验与教学设计

黄明超陈春良

(广西民族大学理学院物理实验中心,广西南宁 530006)

设计磁铁同性相吸的趣味物理实验,突破常见的思维定势,激发学生对物理学的兴趣,增强从生活走向物理、从物理走向社会的意识.

磁铁;同性相吸;物理实验;思维定势

1 前言

根据普通人的生活经验以及科学常识,磁铁的特性是同名磁极相斥、异名磁极相吸.如果出现磁铁同性也能相吸的实验,是否颠覆了我们以往的科学认知呢? 以下设计磁铁同性相吸实验,不但增添演示实验的趣味性,还能够激发学生发现生活中普遍存在的物理现象,增强对物理现象的求知欲和探索热情.

2 磁铁实验原理

自然界中的磁体拥有两个磁极,磁极相互靠近时存在以下两种现象:同名磁极相互排斥,异名磁极相互吸引.但是以下实验出现一种奇异的物理现象,把同名磁极相互靠拢时也能相互吸引.为什么会出现这样看似反常的状况呢?笔者从以下方面进行分析.磁滞回线表示磁场强度周期性变化时,强磁性物质磁滞现象的闭合磁化曲线,根据铁磁材料磁滞回线的胖瘦,分为硬磁材料和软磁材料.[1]图1显示的是一个永磁体的磁场线和一个附加软磁材料的永磁体磁场线.从图中可以看出附加软磁材料对永磁体的磁场并没有影响.

图1 附加软磁材料的永磁体磁场

原有的附加软磁材料棒的永磁体N极,如果靠近另一个永磁体N极,刚开始磁场间的斥力很强,这就是我们熟悉的同名磁铁相互排斥现象.但是当两个磁铁靠近到某个特定距离时,排斥力突然变成吸引力,也就是两个同名的磁极相互吸引,如图2所示.原来这是软磁材料的磁化状态发生改变,其尖部的磁畴靠近另一个永磁体的强磁场,导致它的磁矩方向发生改变.[2]

图2 磁化改变及异性相吸的起因

笔者用永磁体和小磁针进行实验,把永磁体的N极迅速靠近小磁针N极,小磁针被永磁体吸引住了:因为条形磁铁的磁性较强,当它迅速靠近小磁针时, 小磁针来不及被同名磁极排斥,受到条形磁铁强磁场的作用,小磁针重新被磁化,靠近条形磁铁N极的一端被磁化为S极,由此出现同名磁极相吸引的假象.[3]

3 磁铁实验内容

根据以上的理论基础,笔者设计如下课堂演示实验.

如图3所示,整个装置通过两根铁棒固定于底托平台上,下方是弹簧,弹簧与木块托盘固定在一起,通过观察弹簧的伸缩可以直观看出条形磁铁1对条形磁铁2的作用力.弹簧上边有一个木板托盘,木块托盘可上下移动,条形磁铁2对弹簧的压力可通过木块托盘传导.将条形磁铁1和条形磁铁2通过强力胶固定在固定木块上,固定木块相对铁棒上下移动,主要目的是防止条形磁铁偏移竖直方向.

图3 条形磁铁同性相吸实验

3.1 条形磁铁与缝衣针实验

中学生已经熟悉“将缝衣针放在碗里的水上,观察小磁针偏转情况”实验.现在同样让学生动手制作并演示缝衣针偏转实验,但是实验装置和方法发生改变,会颠覆学生以往对磁场同性相斥、异性相吸的认识.

教师为每位学生准备好1根缝衣针、1块条形磁铁和1根细线.

以下是部分课堂过程.

师:同学们,大家还记得以前做过“将缝衣针放在碗里的水上,观察小磁针偏转情况”的实验吗?我们将一碗水放在室外,然后将细小的缝衣针轻轻地放在水面上,观察小磁针偏转情况,大家能否回忆一下当时小磁针如何偏转的呢?

生1:缝衣针会缓慢地偏转,并且指向地球的南北方向.

师: 很好,那你还记得缝衣针的哪一头指向北方,哪一头指向南方呢?

生1:记不太清了.

师:生1说记不清缝衣针具体的偏向了,其实缝衣针的偏向是不具体的,因为缝衣针没有磁性,所以它的南北偏向具有任意性.今天我们就让缝衣针带上磁性,那我们如何让小磁针带上磁性呢?大家有没有这方面的生活经验呢?

生2:我家里的螺丝刀原来不能吸住螺丝,后来我将它在磁铁上摩擦了几下它就能够吸住小螺丝了,并且用起来方便多了.我们能不能让缝衣针同样也在磁铁上摩擦几下呢?

师:看来生2同学的生活经验很丰富啊.我们只需要将缝衣针在条形磁铁上摩擦几下他就带上了磁性.既然缝衣针带上了磁性,我还不知道它是不是真的带上了磁性?它的哪一端带上了何种磁极?我们可以通过以下方法进行检验.

将缝衣针靠近铁粉,如果有铁粉被缝衣针吸住,那么就证明缝衣针带上了磁性;反之则无.将与磁铁摩擦后的缝衣针用细线绑在中间位置,使缝衣针处于水平状态悬挂起来,缓慢地靠近条形磁铁的N极,靠近N极的一端就是缝衣针的S极,我们可以将缝衣针的针尖和针孔作为缝衣针带磁性后N极和S极的标记.

现在我们已经使缝衣针带上了磁性且知道缝衣针的哪一端带何种磁性,接下来我们就将缝衣针用细线悬挂起来,使缝衣针处于水平状态.

师:同学们,实验的前期工作我们都已经完成,我的缝衣针的N极为针孔处,S极为针尖处,你们还记得吗?现在我将条形磁铁的N极缓慢地靠近缝衣针,大家观察到了什么现象吗?

生:缝衣针旋转并且针尖处靠近条形磁铁.

师:为什么会出现这样的实验现象呢?

生:异性相吸、同性相斥,针尖处为缝衣针的S极.

师:大家的回答很正确,接下来仔细看,我将条形磁铁的N极迅速靠近缝衣针的针孔处(N极)看看会出现怎样的现象呢?

生:条形磁铁的N极和缝衣针的针孔处(N极)吸住了,好神奇呀!为什么会出现这种情况呢?

师:因为条形磁铁的迅速靠近改变了缝衣针原有的磁场分布,使缝衣针与条形磁铁相吸,大家试试看能不能出现和我的一样的实验现象?

安排学生进行分组实验,为学生讲解产生实验现象的原因.

3.2 条形磁铁同性相吸的演示实验

由于该实验的实验装置过于复杂,不安排学生进行动手实验,教师只需在课堂上进行演示实验,并向学生讲明实验原理.本实验分为两个部分进行:第1部分进行异性相吸实验,目的是向学生介绍引入该实验装置,说明异性相吸的吸引力足以将条形磁铁2提起且能够将弹簧拉伸;第2部分进行同性相吸的实验演示,让学生了解同性相吸的过程.具体的课堂演示过程如下.

师:同学们,我们在初中的时候就已经学过了磁铁之间的一些原理,大家还记得吗?

生1:磁铁能够吸引铁、钴、镍3种金属.

生2:磁铁间同性相吸、异性相斥.

师:看来大家对以往的知识记忆都牢固的哦.如果说今天我告诉大家同性相吸大家会相信吗?

生:不相信.

师:既然大家都不相信,那我就用实验现象告诉大家事实.

将实验仪器至于水平讲台上,把条形磁铁2的N极朝上至于固定木块上.

将条形磁铁1的N极朝上至于装置的上方的固定木块上.

用手指提缓慢提起条形磁铁1,可以看到弹簧伸长,则证明两个条形磁铁间有吸引力使条形磁铁1拉着条形磁铁2往上运动,此吸引力正是两块条形磁铁间异性相吸的吸引力.

将条形磁铁1的方向转变,使S极朝上.

用力缓慢地挤压条形磁铁1,可以发现弹簧慢慢地收缩,收缩的来源于两块条形磁铁间的排斥力.当两块磁铁逐渐靠近的时候,发现他们之间相互吸引了,手提条形磁铁1往上拉,发现弹簧逐渐伸长至原长后继续伸长,由此说明了磁铁同性相吸的实验原理.

师:同学们,以上现象告诉我们,通过改变实验条件,实验就会呈现出不一样的实验现象.下面我请同学们亲手做一下同性相吸的实验.