Question

【题目】有人把图1所示的玩具称为磁陀螺，它能展示磁悬浮的现象。梭形陀螺左端为一尖端，顶在左边竖直的玻璃板上，放手后，整个梭形陀螺就能悬浮着。如果用外力让梭形陀螺转动起来，由于受阻力很小，它可以转动（略有些颤动）很长时间。

这个磁陀螺的构造如图2、图3、图4所示；图3是陀螺的剖面照片；图4是底座反面的照片。图2中的A与B是两个磁环，底座的C、D、E、F处两两成120°角，卧着四块与磁环等宽的短条形磁铁， G是玻璃板，固定在底座的小槽中。

根据上述的构造，请你解释磁陀螺悬浮的道理（分析梭形陀螺悬浮时的受力情况，说明能达到平衡，并且平衡是稳定的）。

Answer 1

【答案】见解析

【解析】

建坐标系如图答1所示，从三个坐标维度来解释。（以下X、Y、Z 3个方向上的分析各6分。对Y、Z方向，不仅要分析哪几个力平衡，而且要说明平衡是稳定的。）

图答-1 图答-2

x轴方向情况如图答2所示。制作时，特地让陀螺上磁环的N、S极，不是正好与底座上的短条形磁铁的N、S极相对，而是稍微偏向玻璃板一侧，这样，它受底座中短条形磁铁的排斥力，不是竖直向上，而是偏向玻璃板一侧，使得陀螺的针端对玻璃有压力，

玻璃对陀螺有个反作用力R，陀螺上的磁环受力情况如图答2所示。由于玻璃对陀螺的反作用力属于弹力，能自动调节大小，所以能保持沿x轴方向的平衡。

Y轴情况如图答3所示，其中左图表示陀螺的磁环受重力与两个磁斥力的作用而平衡的情况。中图和右图表示由于某种原因，使磁环稍微偏离平衡位置。

以偏右为例，右边磁铁的斥力增大而左边磁铁的斥力减小，合力将指向左方，从而使磁环自动回到平衡位置。偏左情况与偏右情况类似，可见在这个维度上属于稳定平衡。

图答3 图答4

Z轴方向情况如图答4所示。其中左图表示陀螺的磁环受重力与两个磁斥力的作用而平衡的情况。中图和右图表示由于某种原因，使磁环稍微偏离平衡位置（偏上或偏下）。偏上时，磁环远离下面的两磁铁，受两个磁铁的斥力减小，与重力的合力方向向下，能让磁环自动回到平衡位置；反之磁环在平衡位置偏下时，三力的合力方向向上，所以也能让磁环自动回到平衡位置。可见在这个维度上也属于稳定平衡。