磁阻尼现象演示装置的优化和改进.pdf

262023.08技术装备与实验教学 磁阻尼现象演示装置的优化和改进沈 明 杨 刚摘 要：通过对常规磁阻尼现象演示装置进行优化和改进，实现了“眼见为实”、对磁阻尼现象全程动态观察。关键词：磁阻尼现象；实验演示；优化改进中图分类号：G424.31 文献标识码：A 文章编号：1672-1438(2023)16-0026-03作者简介：沈明，本科，一级教师；杨刚，本科，高级教师。江苏省大丰高级中学，224100常规的磁阻尼现象演示装置由小的圆柱体强磁铁和铝管组成，如图1所示。实验时，将磁铁从铝管上方中心位置由静止释放，让其沿管的内部竖直下落，通过磁铁缓慢下落的现象，得出金属管对磁铁的下落有显著的阻碍作用的结论。但由于铝管不透明，实验过程中的现象学生并不能亲眼观察到，只能根据磁铁在铝管中下落的时间，依据生活经验判断出来。视觉上的阻碍影响了实验的效果，也制约了学生的认知，教学效果不理想。图1 常规实验装置示意图 很多教师为此尝试了很多有益的改进。归纳起来大致有两种方案：方案A是在金属管壁上沿轴向每隔一段距离开一个小孔，当磁铁在金属管内部下落经过各个开孔位置时，便能短暂观察到磁铁的下落瞬间。方案B是把圆柱体磁铁改换成半径比金属管稍大一点的磁环，把磁环套在金属管的外侧，这样在下落过程中就能观察到磁环的运动情形。相比之前的演示装置，这两种方案在一定程度上提高了实验的演示效果，但依旧或多或少存在这样或者那样的问题。例如方案A的实验过程中，学生仍然不能看到其他非开孔位置的运动情形，且能观察的时间较短；方案B中的磁环一般由钕铁硼烧制而成，性质跟陶瓷一样比较脆，自身又比较薄，容易摔坏。另外，无论是方案A还是方案B，实验的观察对象(磁铁)与研究对象(金属管)存在不一致的情形，分析的时候需要根据实际情况不断地进行转换。一、改进的思路及相关方案数据能否寻找到更为优化的方案呢？答案是肯定的。改进的基本思路为：既然用常规装置进行实验时，金属管挡住了在其内部下落的磁铁，那么根据直观思维，可以将常规装置的金属管与磁铁的“角色”互换一下，即让位于内部的磁铁保持不动，而让外部的金属管下落，如此一来，下落的时候就不存在遮挡的问题了。当然，为了实验的可操作性及实验的演示效果，还需要同步调整他们的相对大小。例如，原先较长的铜管或铝管此时需要缩短变成铜环或铝环，而原先相对短小的磁铁则需要沿轴向延伸变成加长的磁棒。实践证明，改进的方案不仅思路简单而且实验的对比演示效果非常明显。考虑到材料规格的可选择性、相互之间的配套性以及综合实验的演示效果，在进行实验优化和改进时，最终选取的材料及具体数据如下。钕铁硼材料圆柱形强磁铁(A1和A2，两个一模一样)，直径25 mm，长度250 mm，磁性大约130 000高斯。钕铁硼材料圆柱形强磁铁B，直径22 mm，长度250 mm，磁性大约120 000高斯。两套外形相同的纯铝环(L1，L2)、铜环(T1，T2)272023.08技术装备与实验教学及S304不锈钢环(G1，G2)，内径32 mm，壁厚1.5 mm，长度31 mm。由于材料及规格的可选择性限制，这些金属环的内径和壁厚，尺寸不一定完全相同，但基本都非常接近，可以近似认为它们在形状上是相同的。为了操作上的方便，还另外制作了几根外径30 mm、壁厚2 mm、长度750 mm并安装有底座的透明亚克力管，在其内部距离底部1/3处固定一个横隔板，实验操作时，将圆柱形强磁铁从管口处放入亚克力管，并置于内部横隔板上(最终圆柱形强磁铁位于亚克力管中间位置，占据1/3管长)，金属环套置于亚克力管的外部。具体如图2所示。图2 改进后的实验装置二、可演示的常规实验1.相同下落载体 有无存放磁铁的对比演示这是典型的常规演示，如图3所示。实验时，将磁铁放入亚克力管内部，金属环套在外部，学生可清晰观察到金属环在整个下落过程中因阻尼作用而受到的影响。本实验既可单独进行演示，也可与一个没有放磁铁的相同空管进行对比演示。图3 有无磁铁的对比2.相同下落载体 不同磁铁(磁性不同)对比演示如图4所示，选择长度相同但粗细不同的磁铁(磁性强弱不同)，置于亚克力管内部相同位置。实验时，选择两个相同下落载体(如相同的铝环或铜环)，注意保持落体初始位置一致且均由静止开始释放。实验中可清晰看到，无论采用哪种金属环，套在磁性较强的磁铁外面的金属环都下落得较慢。图4 不同磁铁的对比3.相同磁铁 不同下落载体对比演示如图5所示，实验时，磁铁、初始释放位置等都相同，不同的是选择的下落载体有铜环、铝环、不锈钢环，它们的外形相同。实验前，可以先让学生猜想和思考金属环下落的快慢与哪些因素有关系，实验中哪种金属环会下落得最慢，为什么；然后再进行对比演示和验证。图5 不同下落载体的对比三、可拓展演示的实验1.用线圈替代金属环进行演示选择或自制一个合适的线圈(线轴内径比亚克力管外径略大，高度约31 mm，漆包线线径0.29 mm，匝数4 000)，用线圈替代常规演示中的金属环进行上述实验演示，如图6所示。实验时，又可细分四种情况：一是线圈两接头断开；二是线圈两接头直接连接；三是线圈用足够长的细软硅胶线外接电流计；四是线圈用足够长的细软硅胶线外接一对正反向并接的282023.08技术装备与实验教学 LED发光二极管。图6 线圈落体此拓展演示，不仅可以直接验证磁阻尼现象的本质是由于内部产生了涡流，还可以直观展示其内部产生的涡流存在不同的方向。2.用沿不同方向镂空的金属环进行对比演示选择两个内径比亚克力管外径略大的一模一样的铝环，高度大约100 mm，如图7所示。一个铝环沿管壁轴向开槽，另一个铝环沿管壁环绕方向开槽，槽的宽度及总长度都相同，类似可演示的常规实验中的第三种情况(相同磁铁、不同下落载体对比)。实验前，可以先让学生进行猜想和思考：本实验中两种铝环下落是否相同？如果不相同，哪种情况铝环下落得慢，为什么？该实验中金属管内部的涡流方向可能沿什么方向？然后再进行对比演示和验证。图7 镂空金属环进行对比3.演示磁驱动以上演示的都是磁阻尼现象，本实验装置经过改装后还可以很方便地演示磁驱动现象，如图8所示。选择一个内径比亚克力管外径略大、管壁较厚一些的铝环，起初先套在亚克力管上并置于管的下部，然后沿亚克力管方向用手迅速向上提铝环，可以很明显地看到，尽管隔着一层亚克力管，但内部原先处于静止状态的圆柱形强磁铁随着铝环的快速移动而迅速被“拔起”，视觉效果极为震撼。图8 磁驱动演示四、结语经过对实验的优化和改进，新装置克服了常规演示装置存在的一些缺陷和弊端，真正实现了对磁阻尼现象的全程动态观察。在实践中，类似的情况还有很多，希望笔者的改进、思考和尝试，能为广大教师带来更多有益的启示，从而进一步丰富实验教学素材、教学手段和课程资源，为物理新课程改革的顺利实施助力赋能。参考文献1 徐婷婷.对金属管式楞次定律演示器的两种改进方案 J.中学物理,2021(3):50-51.2 刘小洪,文雯.谈电磁感应中“来拒去留”的实验教学方法 J.物理教学,2020(1):24-26.