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1、材料物理6-2组 实验报告组员：张安玉、高峰、王忠鹏、单飞、王忠鹏、蔡安棋材料物理课接近尾声了，对这门课最大的感触就是演示实验。在这个活动里，一方面可以 加深拓展对于某一方面知识的理解，一方面考验我们的实践能力。1.永磁体磁悬浮【实验目的】利用磁性排斥力达到漂浮物体的目的。【实验原理】观点一：两块磁铁异性相吸，同性相斥，自然就能悬浮起来了。观点二：不旋转的话不能稳定的飘在空中。但是正如一个旋转的陀螺不会倒一样，旋转 的磁陀螺就能够稳定地飘在大磁铁上空了。物理学家说，陀螺这种不会倒的性质是由于角动 量守恒。根据恩绍定律证明了，静电力，静磁力，引力（牛顿定律所描述的引力）的任意组合是 不能让一个物
2、体处于稳定平衡状态的。什么是稳定平衡状态？一个小球处于碗底就是稳定平衡状态，即无论你朝哪个方向轻轻 地推它，它都能回到碗底，物理学家说，这是因为小球的重力势能在碗底有一个最小值。 物体喜欢呆在势能最低的地方，俗话说，水往低处流。有稳定的平衡那就有不稳定平衡。什 么是不稳定平衡呢？把一个小球放在一个大球顶上就是一个例子。这种情况下，你稍微对小 球吹一口气它就出去，回不来了。物理学家说，这是因为小球的重力势能在球顶上是最大值， 它呆在那里不安分。除了这两种情况外，还有一种比较特殊的状态。如果我们把一个小球放 在下面这个马鞍形的体育馆顶上的正中央，会发生什么情况呢？情况是我们左右方向推这个 小球它还
3、能回到中央来，前后推它则回不来了。物理学家说，这个小球的重力势能有一个“鞍 点”，即它在一个方向是稳定平衡，另一个方向是不稳定平衡。一百六十多年前，恩绍先生正是证明了所有静电场，静磁场和引力场对一个带电体或者 一块磁铁所产生的势能都是这种马鞍形的。即靠这三种力，无法将一块小磁铁悬浮在空中， 它总会朝某一个方向溜走。旋转的陀螺由于角动量守恒，的确能够保持直立不倒，但是光靠这一点怎么能够让它在 一个马鞍状的势能里保持稳定呢？试想我们在那个马鞍形的屋顶上放一个旋转的陀螺，你往前后推它，它还不是照样一边旋转着一边溜出去吗？可能唯一比小球好一点的地方是小球是 连滚带爬，旋转的陀螺始终昂首直立。但结果都一
4、样，它们都溜出屋顶回不来了。磁悬浮陀 螺的稳定性一定有它更深刻的原因。悬浮陀螺稳定性问题的完整正确的解释最早是在1996 年左右由英国著名理论物理学家Michael Berry给出的。Berry先生证明，旋转的陀螺通过某种神奇的作用，把原本是一个马鞍状的势能改变 成了碗状的势能。恩绍定律证明的情况是，如果你能保持一个小磁铁始终朝一个方向，那么 它所受的磁场势能是鞍形的。我们都有这种经验，把一块小磁铁握在指端，同性靠近另一块 桌面上固定的大磁铁，我们会感受到小磁铁很想溜到一边去。在这里，这个三维的鞍形势能 在竖直方向上是稳定的，水平方向是不稳定的。但是，陀螺在旋转的时候，却能把水平方向 也变成稳
5、定的。这是因为，小磁铁的角动量，磁场和大磁铁的磁场相互作用，当小磁铁试图 向右水平移动时，它的转轴不再保持直立，而是跟着当地的磁力线稍稍向右倾斜。同样，当 它试图向左水平移动时，它的转轴跟着当地的磁力线稍稍向左倾斜（见下面的示意图）。很 神奇的是，这恰恰与观点二相反。观点二认为陀螺由于角动量守恒，始终直立以至稳定悬浮；而实际情况是，小陀螺能够 聪明地跟随所处地的磁力线的方向调整自己的转轴方向，而使自己稳定悬浮。正因为陀螺不是始终指向同一个方向，恩绍定律就不再适用了。这种情况下，悬浮的陀 螺磁铁所感受到的势能的确是一个碗状而不是马鞍状的（见下图），虽然是个非常浅非常浅 的碗，陀螺在这个碗底也能保持稳定平衡，足以对抗空气扰动，你向它吹气也不能轻易把它 吹走。物理学家把这个碗叫做势阱。 6 cmBerry先生的计算表明，这个碗状的势阱出现在一块磁铁上方非常小的一个区域内（如 果磁铁底座的直径是6厘米，这个平衡区间在3到3.8厘米之间），所以悬浮陀螺的重 量必须调整得恰到好处才能在这个区间里悬浮。太轻了或太重，悬浮陀螺都不能在这个区间 里平衡。【实验仪器】磁性陀螺、磁性底盘（由壳体和永磁体构成）。【实验内容】通过手指发力转动使陀螺先在永磁体上转动起来，然后慢慢抬起塑料板，使其漂浮在空中。【实验现象】
