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    怎样判定磁铁沿铝板下滑时的旋转方向

    来源:http://kushang66.com/??发布时间:2019-11-26 08:36??浏览量:返回列表

    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.

    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NS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.

    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.

    强磁铁圆片下滑时的旋转方向 导出到EXCEL

     

     


    东西方向放置
    东高西低 东低西高

    贴紧铝合金板的磁极
    N S N S

    旋转方向
    逆时针 顺时针 顺时针 逆时针
     

     

    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,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

    a=gsinθ-μgcosθ-Fm

    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的作用,其下滑时的加速度仅为

    a=gsin θ-μgcos θ

    因为a<a,所以能观察到强磁铁圆片沿铝合金板斜面的下滑是“缓慢”的,比非磁性物体的下滑要慢许多.

    图1 强磁铁圆片下滑时的受力分析

    图1 强磁铁圆片下滑时的受力分析   下载原图

     

    (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2 铝合金板南低北高放置,强磁铁S极贴紧板面   下载原图

     

    图3 铝合金板南低北高放置,强磁铁S极即将离开板面

    图3 铝合金板南低北高放置,强磁铁S极即将离开板面   下载原图

     

    图4 铝合金板南低北高放置,强磁铁N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   下载原图

     

    (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

    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   下载原图

     

    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.

    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.


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