Question

【題目】有人把圖1所示的玩具稱為磁陀螺，它能展示磁懸浮的現象。梭形陀螺左端為一尖端，頂在左邊豎直的玻璃板上，放手后，整個梭形陀螺就能懸浮著。如果用外力讓梭形陀螺轉動起來，由于受阻力很小，它可以轉動（略有些顫動）很長時間。

這個磁陀螺的構造如圖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是兩個磁環，底座的C、D、E、F處兩兩成120°角，臥著四塊與磁環等寬的短條形磁鐵， G是玻璃板，固定在底座的小槽中。

根據上述的構造，請你解釋磁陀螺懸浮的道理（分析梭形陀螺懸浮時的受力情況，說明能達到平衡，并且平衡是穩定的）。

Answer 1

【答案】見解析

【解析】

建坐標系如圖答1所示，從三個坐標維度來解釋。（以下X、Y、Z 3個方向上的分析各6分。對Y、Z方向，不僅要分析哪幾個力平衡，而且要說明平衡是穩定的。）

圖答-1 圖答-2

x軸方向情況如圖答2所示。制作時，特地讓陀螺上磁環的N、S極，不是正好與底座上的短條形磁鐵的N、S極相對，而是稍微偏向玻璃板一側，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，使得陀螺的針端對玻璃有壓力，

玻璃對陀螺有個反作用力R，陀螺上的磁環受力情況如圖答2所示。由于玻璃對陀螺的反作用力屬于彈力，能自動調節大小，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受重力與兩個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，從而使磁環自動回到平衡位置。偏左情況與偏右情況類似，可見在這個維度上屬于穩定平衡。

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受重力與兩個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，使磁環稍微偏離平衡位置（偏上或偏下）。偏上時，磁環遠離下面的兩磁鐵，受兩個磁鐵的斥力減小，與重力的合力方向向下，能讓磁環自動回到平衡位置；反之磁環在平衡位置偏下時，三力的合力方向向上，所以也能讓磁環自動回到平衡位置。可見在這個維度上也屬于穩定平衡。