Question

【題目】有人把圖1所示的玩具稱(chēng)為磁陀螺，它能展示磁懸浮的現(xiàn)象。梭形陀螺左端為一尖端，頂在左邊豎直的玻璃板上，放手后，整個(gè)梭形陀螺就能懸浮著。如果用外力讓梭形陀螺轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)，由于受阻力很小，它可以轉(zhuǎn)動(dòng)（略有些顫動(dòng)）很長(zhǎng)時(shí)間。

這個(gè)磁陀螺的構(gòu)造如圖2、圖3、圖4所示；圖3是陀螺的剖面照片；圖4是底座反面的照片。圖2中的A與B是兩個(gè)磁環(huán)，底座的C、D、E、F處兩兩成120°角，臥著四塊與磁環(huán)等寬的短條形磁鐵， G是玻璃板，固定在底座的小槽中。

根據(jù)上述的構(gòu)造，請(qǐng)你解釋磁陀螺懸浮的道理（分析梭形陀螺懸浮時(shí)的受力情況，說(shuō)明能達(dá)到平衡，并且平衡是穩(wěn)定的）。

Answer 1

【答案】見(jiàn)解析

【解析】

建坐標(biāo)系如圖答1所示，從三個(gè)坐標(biāo)維度來(lái)解釋。（以下X、Y、Z 3個(gè)方向上的分析各6分。對(duì)Y、Z方向，不僅要分析哪幾個(gè)力平衡，而且要說(shuō)明平衡是穩(wěn)定的。）

圖答-1 圖答-2

x軸方向情況如圖答2所示。制作時(shí)，特地讓陀螺上磁環(huán)的N、S極，不是正好與底座上的短條形磁鐵的N、S極相對(duì)，而是稍微偏向玻璃板一側(cè)，這樣，它受底座中短條形磁鐵的排斥力，不是豎直向上，而是偏向玻璃板一側(cè)，使得陀螺的針端對(duì)玻璃有壓力，

玻璃對(duì)陀螺有個(gè)反作用力R，陀螺上的磁環(huán)受力情況如圖答2所示。由于玻璃對(duì)陀螺的反作用力屬于彈力，能自動(dòng)調(diào)節(jié)大小，所以能保持沿x軸方向的平衡。

Y軸情況如圖答3所示，其中左圖表示陀螺的磁環(huán)受重力與兩個(gè)磁斥力的作用而平衡的情況。中圖和右圖表示由于某種原因，使磁環(huán)稍微偏離平衡位置。

以偏右為例，右邊磁鐵的斥力增大而左邊磁鐵的斥力減小，合力將指向左方，從而使磁環(huán)自動(dòng)回到平衡位置。偏左情況與偏右情況類(lèi)似，可見(jiàn)在這個(gè)維度上屬于穩(wěn)定平衡。

圖答3 圖答4

Z軸方向情況如圖答4所示。其中左圖表示陀螺的磁環(huán)受重力與兩個(gè)磁斥力的作用而平衡的情況。中圖和右圖表示由于某種原因，使磁環(huán)稍微偏離平衡位置（偏上或偏下）。偏上時(shí)，磁環(huán)遠(yuǎn)離下面的兩磁鐵，受兩個(gè)磁鐵的斥力減小，與重力的合力方向向下，能讓磁環(huán)自動(dòng)回到平衡位置；反之磁環(huán)在平衡位置偏下時(shí)，三力的合力方向向上，所以也能讓磁環(huán)自動(dòng)回到平衡位置。可見(jiàn)在這個(gè)維度上也屬于穩(wěn)定平衡。