巧用環(huán)形磁體“演示”牛頓的拋體運(yùn)動圖

樂清富

人教版和司南版的《物理2》都有這樣的內(nèi)容：在《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》一書中，牛頓用一張圖(如圖1所示)解釋行星能保持在某軌道運(yùn)行的原因．牛頓認(rèn)為“由于向心力，行星會沿某一軌道運(yùn)動．如果考慮拋體運(yùn)動，這一點就容易理解了：投擲一塊石頭，該石頭理應(yīng)做直線運(yùn)動，但由于其自身的重力，石頭離開直線路徑，做曲線運(yùn)動，最終落于地面；投擲速度越大，落地點距投擲點越遠(yuǎn)．于是我們假設(shè)隨著速度的不斷增大，石頭在落地前畫出1、2、5、10、100或1000英里長的弧線，直至最后超H{地球的限度，進(jìn)入空間永不回地球．”

在教學(xué)中，筆者發(fā)現(xiàn)：學(xué)生由于學(xué)過物體的平拋運(yùn)動，所以不難理解隨著投擲石頭的速度不斷增大，石頭在落地前畫出1、2、5、10、100或1000英里長的弧線，但對“石頭速度大到一定值后，進(jìn)入空間永不回地球”就難以理解．筆者認(rèn)為主要原因是：學(xué)生沒有類似的經(jīng)驗，在日常生活中也沒有見過類似的模型．如果無法突破這個難點，將會影響學(xué)生學(xué)習(xí)“人造地球衛(wèi)星”有關(guān)知識．為此，筆者設(shè)計如下演示實驗．取得了較好的效果．

取兩個環(huán)形磁體(大的可取自廢舊揚(yáng)聲器，小的可取自吸附在磁性黑板的小磁體)，兩個環(huán)形磁體在整個圓周都可以相互吸引，可以和地球吸引衛(wèi)星相類比．可按以下步驟演示

1．固定大的環(huán)形磁體在比較光滑的平面上(如水平放置的玻璃)，如果小環(huán)形磁體初速度為零．它將被吸到大環(huán)形磁體上，運(yùn)動軌跡是兩環(huán)形磁體圓心連線．兩個環(huán)形磁體在整個圓周都可以相互吸引，引力指向大環(huán)形磁體的圓心，好比石頭受到的地球引力是指向地心．

2．給小的環(huán)形磁體一定初速度，小環(huán)形磁體在磁體間引力作用下，經(jīng)過一段弧線，“落到”大的環(huán)形磁體；不斷加大小環(huán)形磁體的速度，小環(huán)形磁體所經(jīng)過的弧線變長，直到繞大環(huán)形磁體做“圓周運(yùn)動”，好比石頭速度大到一定值后，進(jìn)入空間永不回地球，繞地球做圓周運(yùn)動(如圖2所示)．

3．由于小環(huán)形磁體運(yùn)動持續(xù)時間很短，有條件可用高速攝像機(jī)拍下小環(huán)形磁體運(yùn)動過程，然后慢速播放，便于學(xué)生觀察小環(huán)形磁體的運(yùn)動軌跡，效果更好．

筆者通過該演示實驗成功地模擬了“牛頓的拋體運(yùn)動圖”，但同時也注意到：由于受到摩擦力的作用，小環(huán)形磁體在運(yùn)動過程中，速度會減慢，最終會“落到”大環(huán)形磁體上，所以實驗應(yīng)盡可能在光滑的平面上進(jìn)行．