半线框电磁秋千

王金权　朱向阳

(1．江西省赣州市第三中学，江西　赣州　341000；

2．江西省信丰中学，江西　赣州　341600)

半线框电磁秋千

王金权1朱向阳2

(1．江西省赣州市第三中学，江西赣州341000；

2．江西省信丰中学，江西赣州341600)

摘要：笔者用半线框代替线圈，不用额外的断续通电装置，实现了半线框在安培力作用下的持续振荡，制作成半线框电磁秋千，并讨论了半线框秋千持续振荡的原理.

关键词：安培力；半线框；秋千

电磁秋千通常是利用断续通电装置，使处在磁场中的线圈在断续通电过程中受到安培力的作用而获得动能，维持线圈的持续振荡.笔者用半线框代替线圈，无需额外增加断续通电装置，设计、制作成能使半线框持续振荡的秋千.半线框电磁秋千的结构简单、制作容易，实验现象明显，用于安培力相关内容的教学，能激发学生的学习兴趣.

1制作材料装置结构

透明有机材质光碟盒1个，单芯铜芯导线(直径约2mm)1根，钕铁硼超强磁铁(3cm×5cm×1cm)1块，6V蓄电池(或4节干电池)、螺丝和导线等.图1是半线框电磁秋千实验装置实物照片.

图1

2制作方法

如图1所示，用长约40cm的铜导线弯折成高约15cm、宽约8cm的半线框.把半线框一端长2cm的线头弯折90°作水平转动轴，另一端焊接长2cm的漆包线作对应的水平转动轴.把2根长约20cm的铜导线下端分别弯成“O”字形，在光碟盒中部相距10cm处开2个螺丝孔，用螺丝分别把铜导线竖直固定在光碟盒上，铜导线上端弯成开口的“9”字形，作半线框转动轴的支撑架，制成后支撑架高度约15cm.把半线框挂在支撑架的凹弧内，让其自然下垂处于平衡位置，以此状态时漆包线与支撑架接触点为准，刮去漆包线半边(图1中漆包线的后半边)的绝缘漆，以便实验时靠半边导通、半边绝缘，实现半线框持续振荡所需通、断电流的作用.半线框下方的光碟盒放1块钕铁硼超强磁铁.为了增加实验的观赏性，可用记号笔在玻璃纸上画一卡通图，裁剪后用透明胶带将其固定在半线框上.

3实验过程

把半线框挂在支撑架的凹弧内，让其自然下垂处于平衡位置，用导线把蓄电池(或4节干电池)与光碟盒的2个接线柱(固定支撑架的2颗螺丝)连接起来，通电后半线框便能自行振荡起来.如果接上电源后半线框不能自行振荡，可能是漆包线与支撑架接触点的绝缘漆未刮掉，导致电路不通，可把漆包线与支撑架接触点的绝缘漆刮掉，或可通过外力使半线框离开平衡位置使其振荡起来.

值得注意的是半线框在振荡过程中，如果半线框下边通电时所受安培力方向与此时摆动方向相反，安培力则会阻碍其振荡，半线框不能持续振荡，这时可通过改变半线框中的电流方向或磁场方向(变换磁极)的方法，

便能使其持续振荡.

4实验原理

如图1所示，半线框在磁铁S极的上方处于平衡位置时，半线框右边上端水平轴(漆包线)朝向读者的半边是绝缘漆，背向读者半边是刮掉了绝缘漆的裸导线，水平轴刚好与支撑架导通.此时，接通电源，使半线框的下边通过从右向左的电流，根据左手定则可知，半线框在安培力作用下离开平衡位置被推向读者，半线框把获得的动能转化成势能，完成前1/4周期的振动到达最高点.接着在重力的作用下，半线框的势能转化为动能而完成第2个1/4周期的振动，使半线框摆回到平衡位置.在这个过程中，由于半线框处于失重状态，造成半线框的水平转动轴与支撑架之间接触不良，电路不能形成通路，因此半线框在此过程中无阻碍其摆动的安培力作用(笔者实验时，在电路中串联1个电流表作检流计，通过观察检流计指针的摆动情况证实了这一观点).半线框把到达平衡位置获得最大的动能转化成势能，使其完成第3个1/4周期的振动而到达另一侧的最高点.在这个过程中，由于半线框右边上端水转动平轴与支撑架接触的是绝缘漆，电路被断开，所以在这个过程中磁铁对半线框无安培力的作用.接着在重力的作用下，半线框的势能转化为动能而完成第4个1/4周期的振动，使半线框摆回到平衡位置.在这个过程中，由于半线框右边上端水转动平轴与支撑架能接触的是绝缘漆，况且半线框处于失重状态，电路被断开，所以在这个过程中磁铁对半线框无安培力的作用.半线框完成1个周期的振荡回到平衡位置时电路接通，半线框在安培力作用下得到能量补充，于是将重复上一周期的物理过程,使其持续振荡.