只要足够快,一块小磁铁就能助你成为万磁王!|正经玩

原来阻止我成为万磁王的竟然是速度??

赶紧拿起手边的小磁铁开始练习

万一呢?

实验器材

所标杯、小磁针、磁铁、纸板

实验过程

首先,我们旋转小磁针

当其静止后,我们找到了南北方向

然后,将三个小磁针底座沿南北方向排列

随机取向的小磁针最终会同时指南

我们用磁铁吸引小磁针使其反向

撤去磁铁后

小磁针可以保持在”指北”的状态

我们抖动纸板

小磁针的状态受到扰动后

会恢复最初的南北指向

说明刚才小磁针所处的状态是亚稳态

如果我们用磁铁靠近小磁针

并在其旁边做往复运动

可以看到速度较慢时

小磁针的振动不会传递

当其振动频率适中时

振动传递到了第三个小磁针

当振动频率很快时

小磁针振动幅度减小

原理解说

指南针的磁矩在外部磁场的作用下会趋向于与磁场方向平行。对于一个单独的指南针来说,受地球磁场的作用下,磁针的N极指向了地球的磁南极,就起到了指南的作用。

对于放在一起的小磁针组,彼此会受到各自产生的磁场作用,而在磁针相距很近时,这个磁场的强度会大于地球的磁场强度,所以排成一条直线的小磁针会倾向于朝向直线的方向。

但由于地球的磁场对磁针组仍起着作用,磁针朝向直线的两个方向亦有总能量的差别。从实验中看到,若小磁针的初始朝向比较混乱,则最终的磁针组的N极方向更容易朝向较偏向于地球南极的方向。

但在外力的作用下,比如用一块磁力较强的钕磁铁推动小磁针组转向相反的方向,受磁针组自身的磁场影响下,磁针会进入和地球磁场反向的亚稳态中——尽管这个状态的总能量比与地球磁场同向要高,但是想要反转回同向的中途状态会使磁针组自身的磁场能量升高,形成势垒。克服这个势垒则需要一些外力的扰动,比如震动放置磁针组的底座。整体的能量可用下图近似:

在图中的最低点位置附近,总能量的曲线可以用二次函数近似,因此对于使小磁针偏移一定角度之内的扰动,可以近似地认为每个小磁针的扰动都是一个简谐振子,有着相同的固有频率。当我们用来回摆动的磁铁在磁针组的一端对最末端小磁针吸引使其偏转时,若使摆动频率接近上述提及的固有频率,便可以将这个扰动沿着磁针组传递至另一端。

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