一个演示磁能与机械能相互转化的简易装置——磁力炮.doc

一个演示磁能与机械能相互转化的简易装置——磁力炮 刘剑锋 赣南师范学院化生学院科学教育研究室（341000） 在桂林广西师范大学科学教育研究所承办的国际科学教育协会理事会（ICASE）美国的Art Hobson提了一个问题：用手把两块吸在一起的磁铁分开，我们人做了功，那么我们消耗的能量到哪里去了？显然，有部分能量转化为了磁能，储存在磁场中了。当时笔者就想，在中学物理教学中，电能与机械能的转化都为学生所熟悉，比如电动机和发电机，但能否设计一个简单而又令人惊奇的实验来演示磁能与机械能的转化呢？经过查找资料，在前人的基础上，笔者设计了一个制作简易的实验装置来进行演示。 1所需材料 直径10mm左右的小铁球若干（从实验室中寻找或到轴承店购买）、圆柱形钕铁硼强磁铁数个 直径比铁球大一些 、内径比铁球大的装修用PVC塑料管40cm、一块长约40cm的木板一块。 2仪器的制作 将塑料管剖去三分之二，留下三分之一作为放铁球的轨道。按图1所示将上述器材装配好。其中最左边的为入射小球，其它三组小球初始均静止于凹槽内，将每组中磁铁的上方尽可能留出一个铁球的空缺位置供入射小球进入,但要保证入射球能与每组中磁铁左边的第一个铁球发生碰撞。磁铁左边第一个铁球用透明胶与凹槽粘在一起，以免被吸到磁铁的正上方。做好后，凹槽与磁铁之间用双面胶或强力胶粘接，并用双面胶将磁铁粘于木板上。 3实验方法 给入射小球一个向右的较小的初速度，经过数次碰撞后，最后一组小球中最右边的小球射出时速度将远大于入射小球的初速度。演示时可以将其水平放置，近距离射倒空盒子；也可以把木板右侧垫高，让其以某一仰角发射；还可以将凹槽覆盖，变成一个黑箱，不让学生看到装置结构，形成低速进入快速飞出的魔术效果。如果要制作成一个综合性的演示教具，则可将凹槽制成类似过山车轨道的形状，让铁球从斜坡处滚下，经中段磁力炮加速后铁球能像过山车一样爬到比入射小球下落斜坡高出许多的轨道顶端。 4工作原理 最左边小球以一个较小的初速度向右滚动时，由于受磁铁的吸引，逐渐加速，撞上第一组铁球前瞬间速度达到最大，由于小球质量相等，根据碰撞规律，在这碰撞瞬间，入射小球的动能几乎全部传递给了第一组铁球中最右边的小球，而这个小球离磁铁较远，磁铁对其吸引力很弱，因此，如果忽略损耗的话，该铁球将以入射小球在碰撞前瞬间的速度向右撞击第二组铁球。依此类推，当最后一组最右边的小铁球离开时，将获得很大的速度。显然，小铁球增加的动能是由于磁铁对整个系统做正功而从磁能转化来的。 5注意事项 （1）磁铁的磁性越强越好，这是实验效果好坏的关键，因此应采用钕铁硼强磁铁，而且最好是大一些的磁铁，如本地没有，可网上购买。 （2）塑料管壁越薄越好，管壁越薄，铁球所在处的磁场就越强。如果没有薄的塑料管，也可以将磁铁所在处的管壁削薄削平，再用双面胶将磁铁粘上。 （3）铁球的组数、各组球之间的间距请根据实际情况尝试调整确定。另外，每组小球的个数也应该根据磁铁的强弱、小球的大小来确定，办法是多试验几次，找到最佳个数。 （4）如用于学生分组实验探究，为节约成本，小铁球也可选用直径更小的滚珠，如用于课堂演示，则不妨用更大的铁球和磁铁，但价格较贵，各位老师可以根据实际情况选取。 （5）如果每组铁球中最左边的静止小球直接置于磁铁正上方也可以（图2所示），优点是不需用透明胶去固定这个小球，缺点是效果更差些。 （6）如果要用最少的材料获得最快的速度，可按图3所示进行实验，但这种方法要求磁铁质量尽可能与铁球一样。而且，铁球容易撞碎磁铁，且经一段时间撞击后磁铁磁性容易减弱。在上课时如果需要学生进行分组实验探究，可按这种方法进行，并只用一组铁球，铁球组直接放在桌子上做实验，不用凹槽轨道也可以，这样易于教师进行器材准备。 7 如果要演示机械能转化为磁能，则磁铁应置于铁球组的中间偏右位置上（如图4），磁铁左边的球比右边多得越多，则出射小球获得的速度就越小。演示时可以将塑料凹槽的左端设计成一个斜轨道，让入射小球从一个斜轨道上滚下来获得一个较大的初速度。 参考文献： [1] 台湾 周鉴恒.磁力弹弓.科学月刊[J],2004 2 :154-155. [2] /programs/view/nyjz9MGWtr8 通讯地址：江西赣州市赣南师范学院化生学院（341000） 刘剑锋 邮政编码：341000 手机号码：1座机电话号码79 Email: ljf1230@126.com 左侧视图 磁铁 磁铁 入射铁球 磁铁 图4 入射铁球 图2 图3 磁铁 入射铁球 图1 木板 塑料凹槽 入射铁球 静止铁球 磁铁