用圓形磁鐵設計與制作的模擬實驗

袁德生 向愷杰 閆哲瑄 寧一鳴 李 浩

(新疆袁德生機電大師工作室,新疆 伊寧 835000)

1 實驗器材

(1) 外徑為Φ=7.6 cm(25 W高音喇叭的磁鐵)和Φ=1.7 cm的喇叭圓形磁鐵各1塊； (2) 小螺釘8個； (3) 玻璃溫度計或細玻璃棒長15 cm以上的1只．

2 具體的科學實驗設計與演示

2.1 人為什么能自然地待在地球上任何一個位置的模擬實驗

對于人們能在地球上自由行走,而又不能脫離地球,這全靠地球的吸引力(重力)的作用,但重力對人們的這種自然作用,人們是感覺不出來的,所以筆者特設計以下的模擬實驗來幫助人們特別是初學者認識地球對人和萬物吸引作用的真實效果．具體做法與分析如下.

圖1

人用手將大的圓形磁鐵(Φ=7.6cm)高舉在空間,并且使圓形磁鐵的平面在豎直面上,然后將小螺釘的釘帽朝著大磁鐵表面,并將其放置在大磁鐵表面上的任何一個位置上,小螺釘都會豎直立與大磁鐵的圓形表面,不論在大磁鐵的上面、下面還是左面、右面都是如此,如圖1所示,大的圓形磁鐵相當于地球,小螺釘相當于地球表面上的人,小螺釘受到大圓形磁鐵的吸引力,而可以豎直立在大磁鐵的圓形表面的任何一個位置,它類似于人受到地球的吸引力,也就是人們常說的人所受到的重力,使人可以停留在地球表面上任何一個位置是完全類似的．

在上述的模擬實驗中若不計小螺釘的重量的話,小螺釘在大圓形磁鐵的上面、下面和左面、右面的各處,小螺釘受磁場引力情況大小是相同的．所以人在地球上時,地球是沒有上面、下面、左面、右面和前面、后面之分的,人在地球上各處受到地球的引力大小基本是相同的．

圖2

如圖2所示,若用手將小螺釘由1位置移到2位置,再松開手后,會看到小螺釘立即在大磁鐵的磁力作用下,快速回到大磁鐵的圓形表面,這個實驗可告訴人們,小螺釘相當于人在地球上跳高一樣,你跳得再高,都會在地球的引力(重力)的作用下,落回地面,不論在地球上何處都是一樣的．

2.2 一個大膽的科學想象與模擬實驗

若能通過一種方式,把地球對人體或其他物體的引力(重力)改變成一種斥力的話,此時人或其他物體就可以自然地遠離地球而去,若想回到地球,再將斥力改成引力就行．若此想象能實現的話,人和物就可以實現一種在地球表面飛行的功能,而且能使高空作業者自由行動,徹底解決高空的跌落安全隱患問題,塔吊將被淘汰,那樣世界是一個特別精彩的神話世界．

圖3

筆者設計的模擬實驗如下.

將大磁鐵與小磁鐵放在水平的桌面上,若看到小磁鐵被大磁鐵吸到大磁鐵的弧形表面時,接著把小磁鐵翻個面你會看到,小磁鐵會受到大磁鐵的斥力作用,而自動遠離大磁鐵,若在途中再將小磁鐵翻個面,此時小磁鐵又會在大磁鐵的吸引力作用下,被吸到大磁鐵的圓形表面,如圖3所示．

該實驗是利用改變小磁鐵的磁場方向,實現引力的吸引和斥力的排斥而使小磁鐵對應運動的,可以推理想象:若能改變人和物在地球表面所受重力方向,就可實現人和物自動遠離和靠近地球的設想,自然實現人與物的懸浮與磁懸浮類似,實現了人和物飛檐走壁．

2.3 人造地球衛星的模擬實驗

一般人們對人造地球衛星圍繞地球轉動的原理是不好理解的,為了使人們更好地接受這個事實和原理,筆者在具體的授課中設計使用了下面的模擬實驗,效果非常好,具體操作如下.

將大的圓形磁鐵(代表地球),小的圓形磁鐵(代表人造地球衛星),放置在水平較光滑的桌面上,調整小磁鐵的正面和反面．(注:小磁鐵此時,上面的面和下面的面稱正面和反面),可看到小磁鐵受到大磁鐵的作用力有兩種結果:一種是引力將小磁鐵吸在大磁鐵的圓形表面上;第二種是斥力將小磁鐵排斥,使小磁鐵遠離大磁鐵．

該實驗是大磁鐵把小磁鐵吸引在自己的圓形表面上靜止不動,然后用手指將小磁鐵沿大磁鐵弧形表面的切線方向,用力撥動小磁鐵,即可看到,小磁鐵在大磁鐵的引力作用下,沿著大磁鐵表面,做圓周運動,而且可轉10～20圈甚至更多,如圖4所示.

圖4

結論:磁場的引力和斥力是一種無形的力,重力也是一種無形的引力,無形的力是看不見,摸不著的,上述的實驗就是一種磁場的無形引力作用下的圓周運動．人造地球衛星圍繞地球做圓周運動是靠無形的萬有引力而實現的,它與上述實驗是完全類似的．通過該實驗對人們接受和理解人造地球衛星,圍繞地球在空間的轉動就變得特別容易了,同時對引力的作用僅僅是改變物體的運動方向,提供了一個做圓周運動無形的向心力的抽象思維認識,轉移成了一個現實的直觀認識．

2.4 磁懸浮彈性器的制作與表演

磁懸浮彈性器具體做法是:將大磁鐵放在水平的桌面上,再將小磁鐵套在玻璃溫度計上或者是細的玻璃管上,使小磁鐵與大磁鐵面對面的磁極為同名磁極,然后將玻璃溫度計豎直立于大磁鐵的圓形中心處,可以看到小磁鐵在玻璃溫度計的制約下,懸在大磁鐵的上空,再用手往下撥動一下小磁鐵時,可看到小磁鐵在一種無形的磁場排斥力作用下,像彈簧似的做特別富有彈性的振動．如圖5所示(圖5中的大磁鐵被包裝在泡沫塑料之中)

圖5

2.5 磁性大炮發射器

磁性大炮發射器的具體做法是:將大磁鐵豎直立于水平的桌面上(也就是大磁鐵的平面與桌 面垂直),手拿玻璃溫度計或細的玻璃管,手的前方玻璃溫度計的長度,控制在5 cm左右,把小磁鐵套在玻璃溫度計上,并使小磁鐵與大磁鐵面對面的磁極相同(處于排斥狀態),然后將溫度計沿著大磁鐵內圓的圓心軸向方向,從右向左連同小磁鐵一起,慢慢移進大磁鐵的內圓圓心,當小磁鐵稍微越過大磁鐵內圓的中心平面時,小磁鐵將在大磁鐵相互排斥力的作用下,沿著溫度計,像大炮的炮彈一樣飛射出去,如圖6所示，所以該實驗可模擬裝載大炮炮彈的發射器．

圖6

2.6 自制磁鐵翻筋斗器

圖7

如圖7,將小磁鐵平放在1 cm厚的桌面上或者是其他木板上,將大磁鐵用手拿著放在桌面或木板的下面,并在小磁鐵的正下方,當你用手重復翻動大磁鐵時,就可看到小磁鐵在桌面或木板上來回的翻筋斗,大磁鐵在下面翻一下,小磁鐵在上面也對應地翻一下,效果特別好(若用雙面膠在小磁鐵的兩個平面上,分別貼上不同顏色和有關聯內容的畫,在表演中顯得更加精彩).

2.7 關于磁鐵間相互作用在不穩定平衡處平衡的解決方法

圓形磁鐵與圓形磁鐵相互作用時,有很多的穩定平衡點,只要在穩定平衡點處,它們都會自然平衡而相對靜止的;但它們在相互作用時也有很多不穩定平衡點,在它們的不穩定平衡點處,讓它們自由平衡是很難做到的,但只要加一些外界條件都是可以實現不穩定平衡處的穩定平衡,從而出現磁懸浮的穩定平衡現象．穩定平衡是自然平衡,大都是相互吸引,接觸在一起的平衡,對于不穩定平衡處的平衡,最簡單的方法就是把小磁鐵套在一個與它的內圓直徑差不多的小玻璃棒上或其他光滑的小棍上(小棍不能是鐵磁性材料),如圖5和圖6所示(圖5和圖6中的大磁鐵是被包裝起來的,在實驗中可不用包裝),通過改變小磁鐵的磁極極性和小玻璃棒的位置,就可讓小磁鐵在不穩定平衡處達到穩定平衡,包括一些磁力為斥力與重力的不平衡位置和磁力為引力與重力的不平衡位置．