用圆形磁铁设计与制作的模拟实验

袁德生 向恺杰 闫哲瑄 宁一鸣 李 浩

(新疆袁德生机电大师工作室,新疆 伊宁 835000)

1 实验器材

(1) 外径为Φ=7.6 cm(25 W高音喇叭的磁铁)和Φ=1.7 cm的喇叭圆形磁铁各1块； (2) 小螺钉8个； (3) 玻璃温度计或细玻璃棒长15 cm以上的1只．

2 具体的科学实验设计与演示

2.1 人为什么能自然地待在地球上任何一个位置的模拟实验

对于人们能在地球上自由行走,而又不能脱离地球,这全靠地球的吸引力(重力)的作用,但重力对人们的这种自然作用,人们是感觉不出来的,所以笔者特设计以下的模拟实验来帮助人们特别是初学者认识地球对人和万物吸引作用的真实效果．具体做法与分析如下.

图1

人用手将大的圆形磁铁(Φ=7.6cm)高举在空间,并且使圆形磁铁的平面在竖直面上,然后将小螺钉的钉帽朝着大磁铁表面,并将其放置在大磁铁表面上的任何一个位置上,小螺钉都会竖直立与大磁铁的圆形表面,不论在大磁铁的上面、下面还是左面、右面都是如此,如图1所示,大的圆形磁铁相当于地球,小螺钉相当于地球表面上的人,小螺钉受到大圆形磁铁的吸引力,而可以竖直立在大磁铁的圆形表面的任何一个位置,它类似于人受到地球的吸引力,也就是人们常说的人所受到的重力,使人可以停留在地球表面上任何一个位置是完全类似的．

在上述的模拟实验中若不计小螺钉的重量的话,小螺钉在大圆形磁铁的上面、下面和左面、右面的各处,小螺钉受磁场引力情况大小是相同的．所以人在地球上时,地球是没有上面、下面、左面、右面和前面、后面之分的,人在地球上各处受到地球的引力大小基本是相同的．

图2

如图2所示,若用手将小螺钉由1位置移到2位置,再松开手后,会看到小螺钉立即在大磁铁的磁力作用下,快速回到大磁铁的圆形表面,这个实验可告诉人们,小螺钉相当于人在地球上跳高一样,你跳得再高,都会在地球的引力(重力)的作用下,落回地面,不论在地球上何处都是一样的．

2.2 一个大胆的科学想象与模拟实验

若能通过一种方式,把地球对人体或其他物体的引力(重力)改变成一种斥力的话,此时人或其他物体就可以自然地远离地球而去,若想回到地球,再将斥力改成引力就行．若此想象能实现的话,人和物就可以实现一种在地球表面飞行的功能,而且能使高空作业者自由行动,彻底解决高空的跌落安全隐患问题,塔吊将被淘汰,那样世界是一个特别精彩的神话世界．

图3

笔者设计的模拟实验如下.

将大磁铁与小磁铁放在水平的桌面上,若看到小磁铁被大磁铁吸到大磁铁的弧形表面时,接着把小磁铁翻个面你会看到,小磁铁会受到大磁铁的斥力作用,而自动远离大磁铁,若在途中再将小磁铁翻个面,此时小磁铁又会在大磁铁的吸引力作用下,被吸到大磁铁的圆形表面,如图3所示．

该实验是利用改变小磁铁的磁场方向,实现引力的吸引和斥力的排斥而使小磁铁对应运动的,可以推理想象:若能改变人和物在地球表面所受重力方向,就可实现人和物自动远离和靠近地球的设想,自然实现人与物的悬浮与磁悬浮类似,实现了人和物飞檐走壁．

2.3 人造地球卫星的模拟实验

一般人们对人造地球卫星围绕地球转动的原理是不好理解的,为了使人们更好地接受这个事实和原理,笔者在具体的授课中设计使用了下面的模拟实验,效果非常好,具体操作如下.

将大的圆形磁铁(代表地球),小的圆形磁铁(代表人造地球卫星),放置在水平较光滑的桌面上,调整小磁铁的正面和反面．(注:小磁铁此时,上面的面和下面的面称正面和反面),可看到小磁铁受到大磁铁的作用力有两种结果:一种是引力将小磁铁吸在大磁铁的圆形表面上;第二种是斥力将小磁铁排斥,使小磁铁远离大磁铁．

该实验是大磁铁把小磁铁吸引在自己的圆形表面上静止不动,然后用手指将小磁铁沿大磁铁弧形表面的切线方向,用力拨动小磁铁,即可看到,小磁铁在大磁铁的引力作用下,沿着大磁铁表面,做圆周运动,而且可转10～20圈甚至更多,如图4所示.

图4

结论:磁场的引力和斥力是一种无形的力,重力也是一种无形的引力,无形的力是看不见,摸不着的,上述的实验就是一种磁场的无形引力作用下的圆周运动．人造地球卫星围绕地球做圆周运动是靠无形的万有引力而实现的,它与上述实验是完全类似的．通过该实验对人们接受和理解人造地球卫星,围绕地球在空间的转动就变得特别容易了,同时对引力的作用仅仅是改变物体的运动方向,提供了一个做圆周运动无形的向心力的抽象思维认识,转移成了一个现实的直观认识．

2.4 磁悬浮弹性器的制作与表演

磁悬浮弹性器具体做法是:将大磁铁放在水平的桌面上,再将小磁铁套在玻璃温度计上或者是细的玻璃管上,使小磁铁与大磁铁面对面的磁极为同名磁极,然后将玻璃温度计竖直立于大磁铁的圆形中心处,可以看到小磁铁在玻璃温度计的制约下,悬在大磁铁的上空,再用手往下拨动一下小磁铁时,可看到小磁铁在一种无形的磁场排斥力作用下,像弹簧似的做特别富有弹性的振动．如图5所示(图5中的大磁铁被包装在泡沫塑料之中)

图5

2.5 磁性大炮发射器

磁性大炮发射器的具体做法是:将大磁铁竖直立于水平的桌面上(也就是大磁铁的平面与桌 面垂直),手拿玻璃温度计或细的玻璃管,手的前方玻璃温度计的长度,控制在5 cm左右,把小磁铁套在玻璃温度计上,并使小磁铁与大磁铁面对面的磁极相同(处于排斥状态),然后将温度计沿着大磁铁内圆的圆心轴向方向,从右向左连同小磁铁一起,慢慢移进大磁铁的内圆圆心,当小磁铁稍微越过大磁铁内圆的中心平面时,小磁铁将在大磁铁相互排斥力的作用下,沿着温度计,像大炮的炮弹一样飞射出去,如图6所示，所以该实验可模拟装载大炮炮弹的发射器．

图6

2.6 自制磁铁翻筋斗器

图7

如图7,将小磁铁平放在1 cm厚的桌面上或者是其他木板上,将大磁铁用手拿着放在桌面或木板的下面,并在小磁铁的正下方,当你用手重复翻动大磁铁时,就可看到小磁铁在桌面或木板上来回的翻筋斗,大磁铁在下面翻一下,小磁铁在上面也对应地翻一下,效果特别好(若用双面胶在小磁铁的两个平面上,分别贴上不同颜色和有关联内容的画,在表演中显得更加精彩).

2.7 关于磁铁间相互作用在不稳定平衡处平衡的解决方法

圆形磁铁与圆形磁铁相互作用时,有很多的稳定平衡点,只要在稳定平衡点处,它们都会自然平衡而相对静止的;但它们在相互作用时也有很多不稳定平衡点,在它们的不稳定平衡点处,让它们自由平衡是很难做到的,但只要加一些外界条件都是可以实现不稳定平衡处的稳定平衡,从而出现磁悬浮的稳定平衡现象．稳定平衡是自然平衡,大都是相互吸引,接触在一起的平衡,对于不稳定平衡处的平衡,最简单的方法就是把小磁铁套在一个与它的内圆直径差不多的小玻璃棒上或其他光滑的小棍上(小棍不能是铁磁性材料),如图5和图6所示(图5和图6中的大磁铁是被包装起来的,在实验中可不用包装),通过改变小磁铁的磁极极性和小玻璃棒的位置,就可让小磁铁在不稳定平衡处达到稳定平衡,包括一些磁力为斥力与重力的不平衡位置和磁力为引力与重力的不平衡位置．