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国际标准刊号:ISSN 1006-0049

国内统一刊号:CN 14-1003/C

期刊级别:省级刊物

语   言:中文

周   期: 半月刊

出 版 地:山西省太原市

语  种: 中文

开  本: 大16开

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创新科学教育项目:电磁小车的制作和动力模型分析

发布时间:2021-07-19 阅读数:48

摘 要 电磁感应的实践应用一直是我们探索的重点,同时也是中学物理的重要内容,以电池和小磁铁为原料制作的小车,不仅能顺利前行,而且形状多变,极富趣味性。那么对其动力产生的原因进行深入探究,不仅是实验的需求,更是科技馆科学教育项目的需求。

关键词 电磁动力 电磁感应 等效环形电流

中图分类号:TP242 文献标识码:A

以铜线圈、电池、小磁铁为材料制作的电磁动力“小车”经试验探究,小车可以在线圈中顺利前进。首先,将铜线缠绕成紧密且同大小的线圈,将同极的小磁铁(同为N或者同为S)分别贴在电池的正负极上(如图1),将这个 “小车”放入铜线圈中,会发现“小车”竟然沿着线圈运动起来,最终从线圈中穿出。那是什么力量推动着这列“小车”前进呢?

小磁铁是这个实验的关键点,它们既产生了磁场,又充当了导体的作用,使铜线圈和电池的正负极接通,即使铜线圈内产生电流, 此时通电的铜线圈根据电磁感应定律和右手法则,产生磁场,磁场方向如图2所示。

通過对实验的观察和分析,下面对电磁小车动力的来源进行两种模型分析,不当之处欢迎批评指正。

1小磁铁等效环形电流模型

我们知道磁场中的电子,其实在做规律的环形运动,形成环形电流,并最终形成方向一致的对外显现出磁铁的磁性。那么如果把磁铁当成一个整体来看,那么磁铁可以等效成为一个通电的螺线圈,正极所接磁铁的环形电流模型如图3所示,负极所接磁铁的环形电流方向相反。

电池正负极所连接的小磁铁都模拟成环形电流后,在铜线圈的磁场中,电流产生安培力作用,那么安培力的大小则根据左手定律,将磁感线垂直穿过手掌,四指指向电流方向,大拇指所指方向就是安培力的方向,如图4。正极的F1和负极的F2,合力方向均向左,最终推动“小车”前进。

2通电线圈等效条形磁铁模型

根据文章前面所述,铜线圈中产生了电流和感应磁场。磁场方向根据右手法则判断方向向右。这种情况下,通电铜线圈等效为条形磁铁,左(正极)为S极,右(负极)为N极。如图5。

正极处,感应磁场的S极与小磁铁的N极相互吸引,给小磁铁一个向左的力量;负极处,感应磁场的N极与小磁铁的N极相互排斥,给小磁铁一个向左的力量,两个力量均向左,所以“小车”向左运动。

由于S极小磁铁距离铜线圈感应磁场两极较远,产生的排斥和吸引力被N极产生的吸引和排斥力抵消,不作考虑。

3结束语

利用身边简单的工具和材料,设计简单又富有趣味的小实验,能极大提升青少年对科学的感知和兴趣,在科普活动中,经常采用此类方法,激发观众的好奇心和探究欲。辅导员在进行科学教育工作时,要对现象背后的原理进行深入探究,不断试验改进,让观众以兴趣为出发点,以应用为落脚点,才能达到科普教育项目的真正目的。

作者简介:马晓燕,女,汉,出生年月:1990年5月,籍贯:河南长葛,学历:本科,职称:助理馆员,工作单位:许昌市科学技术馆,研究方向:公众科学教育。

参考文献

[1] 闫峰.磁动力小车的驱动原理[J].中学物理教学参考,2015(13).


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