众网友合力破解2015国际青年物理学家锦标赛第7题之金属碟片旋转问题
昨天,微主推送了"2015国际青年物理学家锦标赛第7题之金属碟为什么会旋转"一文,引发了网友们的热议。
网友充分发挥各自的资源优势,对该问题进行了详尽的理论分析和实验探究,两者吻合的很好。
一、试题回放
Shaded Pole Place a non-ferromagnetic metal disk over an electromagnet powered by an AC supply. The disk will be repelled, but not rotated. However, if a non-ferromagnetic metal sheet is partially inserted between the electromagnet and the disk, the disk will rotate. Investigate the phenomenon.
如图1所示,将一个非铁磁性的金属碟放在通交流电的电磁铁上,金属碟会排斥但不会旋转。但如果一块非铁磁性的金属薄片部分被部分插入两者之间,金属碟会旋转。
图1
1.没插入金属片时,圆盘为什么会受到排斥力?
2.插入金属片以后,圆盘为什么会不停第旋转?
二、网友们的理论分析
1.网友随缘的观点
原磁场是竖直脉冲的,方金属片也是竖直脉冲的,但是方金属片可看作环形电流,而环形电流的磁感线是闭合的,方金属片的上方某处一定有一个位置感应磁场水平的;感应磁场与原磁场相互垂直,频率相同,相位差90°,可以形成旋转磁场;如果金属碟的边缘位于该点,将受到旋转磁场的驱动,进而旋转。
2.网友阿玻瓷锝的观点
金属碟与金属片在同一个变化的磁场中,因此两者的感应电流为同向电流,所以金属碟与金属片相互吸引;金属碟转轴、金属碟涡流中心轴和金属片涡流中心轴三者无法严格共面,故金属片对金属碟的作用力对转轴总存在力矩,因此金属碟在力矩作用下旋转;金属碟转轴、金属碟涡流中心轴和金属片涡流中心轴三者越不共面,金属碟旋转的速度越大。
3.网友杨昕瑞的观点
从定性角度看,圆盘上的相位角滞后于遮挡盘上的相位角,要努力去追赶,圆盘就旋转起来了。定量研究需要使用麦克斯韦方程组,解空间电磁场求出安培力。建议用ansisy这个仿真软件对空间电磁场进行仿真求解。
4.微主的观点
金属碟受到排斥力,是因为金属碟内的感应电流磁场与原磁场相位角不是相差90°所致。金属碟内的感应电动势与原磁场差90°相位角,而金属碟的自感作用,导致感应电流并不与感应电动势同步,而是存在一个小的相位差;这种差别让是因为金属碟内的感应磁场与原磁场相位角不是相差90°,两者之间的平均作用力不为零,而是相斥。原理与跳环实验相类似!
对于金属碟旋转的问题,微主赞同以上三种观点,因为三者只是分析角度不同,其实质是一致的。
三、实验探究
1.网友陈理的实验探究
本实验探究由浙江省温州市第二高级中学的陈理老师开展,陈理老师重复多次实验,并多次重复录制视频。
实验视频
实验结论
(1)铝环的位置对金属碟的转动影响很大,当铝环放正的时候,金属碟不转圈,当铝环放偏的时候,金属碟才转圈;
(2)铝环的位置决定了金属碟的旋转方向;
(3)比较理论分析和实验检验,可以发现两者吻合的很好。
2.网友杨昕瑞的实验探究
网友杨昕瑞也向本微信公众平台分享了他的研究照片和研究报告。
装置图1
装置图2
实验结论
(1)感应电流与原电流相位角差不等于90°;
(2)在一个周期内的平均安培力表现为斥力,圆盘会产生排斥现象;
(3)当磁极被遮盖,电磁铁在空间形成椭圆旋转磁场,旋转磁场产生旋转磁矩,使圆盘旋转;遮盖部分始终落后未被遮盖部分一个相角;
(4)磁感应强度的基波分量推动圆盘旋转,二次谐波分量使圆盘发生抖动。
四、教学建议
如果用于中学演示教学,网友“阿玻瓷锝”的观点比较适合;如果用于大学演示教学,网友“杨昕瑞”和“随缘”的观点比较适合。
由于微主才疏学浅,理屈词穷,归纳总结定有不当之处,还请各位网友能够包涵。
五、温馨提示
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张怀华名师工作室 |
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