怎样判定磁铁沿铝板下滑时的旋转方向

辜金星

(浙江省杭州第九中学 浙江 杭州 310020)

1 问题的发现

在演示涡流及涡流阻碍相对运动现象时，我们同时让强磁铁圆片和奶片(非磁性物体)沿铝合金板构成的斜面下滑，发现强磁铁圆片要慢许多.同时，观察细致的学生还会发现强磁铁圆片下滑时有时是旋转的.于是课后师生共同展开了进一步的研究.

2 实验器材

强磁铁圆片(圆柱体直径约12 mm，厚约4 mm，先已确定两个圆面的N和S极)1片，奶片1片，铝合金板(长约1 200 mm，宽约120 mm，厚度适中)1块，支架，指南针等.

3 实验现象

将铝合金板固定在支架上，调整倾角，形成一个倾角大约为75°左右的斜面.让强磁铁圆片的一个圆面贴紧铝合金板从上端无初速度滑下，可以观察到以下物理现象.

(1)无论铝合金板斜面是东西方向还是南北方向放置，也无论贴紧铝合金板的强磁铁圆面是N极还是S极，强磁铁圆片都是缓慢的下滑，比奶片等非磁性物体的下滑要慢了许多.

(2)铝合金板斜面沿南北方向放置，无论斜面是南高北低还是南低北高，也无论贴紧铝合金板的强磁铁圆面是N极还是S极，强磁铁圆片下滑时都不会旋转.

(3)铝合金板斜面沿东西方向放置，无论斜面是东高西低还是东低西高，也无论贴紧铝合金板的强磁铁圆面是N极还是S极，强磁铁圆片下滑时都会旋转，具体的旋转方向如表1所示.

表1 强磁铁圆片下滑时的旋转方向

4 相关解释

(1)强磁铁圆片沿铝合金板斜面的下滑为什么是“缓慢”的？

强磁铁圆片沿铝合金板斜面下滑时，在铝合金板内有磁通量的变化，形成了涡流，这些涡流便会对强磁铁圆片产生力的作用，即相当于施加一个沿斜面向上的磁场力F磁，其效果是“挽留”下滑的强磁铁圆片，对于强磁铁而言，这种“挽留”的效果是相当的明显.

对强磁铁圆片下滑时的受力情况可以用图1作初步的分析.设斜面的动摩擦因数为μ，斜面与水平面夹角为θ，于是，强磁铁圆片下滑时的加速度为

对于非磁性物体，由于不存在这些涡流，也就不会受到磁场力F磁的作用，其下滑时的加速度仅为

a非=gsinθ-μgcosθ

因为a磁

图1 强磁铁圆片下滑时的受力分析

(2)铝合金板斜面沿南北方向放置，强磁铁圆片的下滑为什么都不会旋转?

铝合金板斜面沿南北方向放置，强磁铁圆片除了受到上述分析的力之外，还受到地磁场的作用，N极受到向北的作用力，S极受到向南的作用力，这样的一对力对于强磁铁圆片的运动会产生一定的影响.

当铝合金板斜面南低北高，若强磁铁圆片S极贴紧铝合金板下滑时，强磁铁圆片的受力情况可用图2来示意.强磁铁圆片与斜面极端的接触及受力作用情况可用图3来示意，压力的作用点可视为上侧的底边缘点，强磁铁圆片的下滑只可能有些摇摆，但不会旋转.若N极贴紧铝合金板下滑时，强磁铁圆片与斜面极端的接触及受力作用情况可用图4来示意，压力的作用点可视为下侧的底边缘点，强磁铁圆片的下滑也只可能有些摇摆，但不会旋转.

图2 铝合金板南低北高放置，强磁铁S极贴紧板面

图3 铝合金板南低北高放置，强磁铁S极即将离开板面

图4 铝合金板南低北高放置，强磁铁N极即将离开板面

(3)铝合金板斜面沿东西方向放置，强磁铁圆片的下滑为什么都会旋转?

若铝合金板斜面沿东西方向东低西高放置，当强磁铁圆片S极贴紧铝合金板下滑时，强磁铁圆片与斜面极端的接触及受力作用情况可用图5来示意，压力的作用点可视为正北侧的底边缘点.此时，正北侧底边缘点的摩擦相对较大，而正南侧底边缘点的摩擦相对较小，可理解为正北侧底边缘点的下滑受阻明显，而正南侧底边缘点的下滑几乎没有什么阻碍，于是强磁铁圆片便会逆时针旋转下去.

图5 铝合金板沿东西向放置，强磁铁圆片S极即将离开板面

关于表1中另外3种旋转情况的解释，都与上述情况类似，这里不再赘述.

5 几点说明

(1)除了沿东西和南北方向放置铝合金板斜面之外，其余方向上的下滑情况相对较为复杂一些，但均可用上述的解释方法去处理，在这就不作详细讨论了.

(2)我们把本实验从北半球搬运到南半球的澳大利亚重做，发现结论不变.这说明用地磁场的影响来解释相关现象是正确的，与地球的转动无关.

(3)应该支持和鼓励学生广泛开展类似的科学探究活动，增强动手能力，提高分析和解决问题的能力，锻炼思维能力、创新能力，提升核心素养.