自拟物理实验磁铁.doc

物理设计性试验题目：Magnet and coin : Put a coin vertically on a magnet . Incline the coin and then release it . The coin may fall down onto the magnet or reconvert to its vertical position . Study and explain the coins motion . 磁铁和硬币：把一个硬币垂直地放在一块儿磁铁上。倾斜硬币，然后松手。硬币是倒在磁铁上还是恢复到它原来的垂直位置。根据实验现象说明原因。摘要：本实验是根据以上实验题目描述而设计和制作的，通过对多次重复实验现象进行描述、分析和总结，找出结果形成的原因，再结合所学过的物理知识、查找网络资源从而做出合理推断，得出实验结论。关键词：磁铁 硬币 倾斜 现象1、 引言 此次实验中用的是铁氧体磁铁和现行流通的第五套人民币硬币中的一元硬币，其组成为钢芯镀镍。 实验原理：物质大都是由分子组成的，分子是由原子组成的，原子又是由原子核和电子组成的。在原子内部，电子不停地自转，并绕原子核旋转。电子的这两种运动都会产生磁性。但是在大多数物质中，电子运动的方向各不相同、杂乱无章，磁效应相互抵消。因此，大多数物质在正常情况下，并不呈现磁性。铁、钴、镍或铁氧体等铁磁类物质有所不同，它内部的电子自旋可以在小范围内自发地排列起来，形成一个自发磁化区，这种自发磁化区就叫磁畴。铁磁类物质磁化后，内部的磁畴整整齐齐、方向一致地排列起来，使磁性加强，就构成磁铁了。磁铁的吸铁过程就是对铁块的磁化过程，磁化了的铁块和磁铁不同极性间产生吸引力，铁块就牢牢地与磁铁“粘”在一起了。我们就说磁铁有磁性了。 磁铁的周围存在着磁场。在磁场中，有些原来没有磁性的物质能变成有磁性的物质，这叫磁化。如铁在磁场中能被磁化成一个“新磁铁”。磁铁是有极性的，而且同性磁极相斥，异性磁极相吸。由于铁被磁化时，“新磁铁”的N极与原来磁铁的S极相对，所以磁铁能吸铁。2、 实验设计思想 由于硬币的材料特性使得其可以被磁铁磁化，从而当其贴近磁铁时会被磁铁吸引。姑且认为磁铁规则水平，硬币的重心位置大约在硬币的圆心位置，重力作用在重心上，竖直向下，磁力作用在整个硬币上，方向竖直向下，当重力和磁力的合力方向指向硬币与磁铁相接触的范围上时，硬币可以直立，不指向这个范围时，由于杠杆的作用，硬币将会倒下。接触点即为杠杆支点，没有阻力臂。 所以本实验分三部分进行，首先经过多次倾斜实验看是否能找到适当的倾角使硬币倾斜住不倒的角，然后增大和减小倾角。而当硬币倾斜角度为其他任意角时，硬币是如何运动的，跟我们所猜想的结果是否一致，进而说明我们所应用到的实验原理是否正确，从而得到正确的实验理论。 3、 实验过程 1）将磁铁平直地放在水平桌面上，把一元硬币垂直地立在其表面（实验现象如图片1所示）。 2）进行多次重复实验：在磁铁上将硬币倾斜后，看松开手后硬币的运动情况，记录实验现象，总结归纳结果现象。最终实验结果可以归纳为三种情况，一是，硬币倾斜住不动（实验现象如图片2所示）；二是，硬币倒贴在磁铁表面（实验现象如图3所示）；三是，硬币重新恢复到垂直状态（实验现象如图片4所示）。 3）观察实验现象，对产生的结果进行分析。 图片1 图片2 图片3 图片44、 结果分析 因硬币有镍，导磁性能好，倾斜时收到5个力，硬币边缘收到垂直向下的磁力（F1），硬币受到的重力（G），硬币倾斜后，倾斜面收到的磁力（F2），当F3的垂直向上的失量方向受的力大于G、F1、F2垂直向下矢量方向的力时，硬币直立；等于时硬币倾斜（难度高）；小于时横着倒下。硬币受力分析图如图1所示。受力分析： F3 F4 F1 F2 G 图 1假设当倾斜角度为时，硬币倾斜在磁铁表面，由牛顿第三定律知，此时有F2垂直向下的竖直的分量F2cos、F1和G的合力与竖直向上的支持力F3大小相等方向相反，是一对平衡力。由此可知，当硬币的倾斜角度大于时，F2cos变小，硬币重新恢复到竖直状态。当硬币的倾斜角度小于时，F2cos变大，硬币被磁铁吸引，向下倒贴在磁铁表面。实验总结：本实验根据大量的实验实施结果得出实验结论，进一步分析得出对相应的实验原理的说明，从而证明相应猜想的正确性。本实验中的实验设备简单易得，实验也容易操作，不受时间、场地等的限制，较容易实现。