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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