魔术“心意螺丝”中的物理原理探究

李春来

2010年中央电视台元宵晚会上魔术大师刘谦表演的魔术“心意螺丝”给观众留下了深刻的印象。随后，这个魔术风靡于校园，也走进了物理课堂。观众都想知道控制螺丝转动的“心意”即物理原理到底是什么，于是探究魔术的工作原理成为一个有趣的物理问题。

一、魔术道具的外观和表演现象

如图1所示，表面上，魔术道具由一个铜质的螺栓和旋在杆上的螺母组成。表演时，在观众看来，魔术的神秘之处在于表演者可以用自己的意念控制螺母的转动，甚至可以将螺母完全旋出螺杆。

图1

当然，表演者不是依靠什么意念，而是通过粘在手指肚上的小磁铁来控制螺母的转动。当小磁铁靠近螺杆时，螺母转动；当小磁铁远离螺杆时，螺母停止转动。

二、螺杆的内部结构

用力将螺栓右侧的六角盖头拔下来，可以发现螺杆内部另有一个机关(如图2、图3所示)。它由三部分组成：电源、振动器、通断控制装置。振动器由电动机和偏心轮组成；通断控制装置由铁芯、橡胶绝缘层、裸铜螺线管组成；电源为一枚纽扣电池。电动机的正极与裸铜螺线管相连，电池的正极与整个螺杆相接触，电池负极通过压缩弹簧、导线与电动机负极相通，结构剖面如图4所示。

图2

图3

图4

三、振动器的工作原理

振动器由一个微型的普通直流电动机和一个凸轮(也叫偏心轮)组成，是利用偏心装置在转动时产生振动这一原理而工作的。振动器的实物如图5所示，右侧部分是一个小的直流电动机，左侧部分是电动机的负载(凸轮)，两者之间由转轴相连。

图5

由于电动机的转动轴上所连的凸轮不是按几何对称的方式分布的，在转动中整个螺杆质心所在位置会随着凸轮位置的改变而改变，这种质心在一定空间范围内不断变化必将造成螺杆的位置移动。当螺杆质心位置的变化幅度较小且十分频繁时，在宏观上就表现为螺杆的振动。

当然，螺杆的振动不是很明显，但拿在手里时可以明显地感觉出来，有规律的振动足以使旋在螺杆上的螺母持续转动。事实上，手机内部的振动器与魔术装置中的振动器工作原理完全相同。

四、通断控制装置的工作原理

常态下，裸铜螺线管与螺杆内层表面间有空隙，电路不导通，电动机不工作。当有小磁铁靠近螺杆时，透过铜质螺杆的磁场会对中间的铁芯产生吸引的作用，导致小裸铜螺线管发生侧向移动而与螺杆内层表面接触，电路接通，电动机工作，偏心轮转动引起螺杆振动。当磁铁远离时，裸铜螺线管与螺杆内层表面分离，电路断开，螺杆停止振动，螺母随之停止旋转。

以上就是对魔术“心意螺丝”工作原理的分析，引导学生探究小魔术中的物理知识，能够提高学生学习物理的兴趣，培养解决实际问题的能力、质疑创新的精神。

五、“心意螺丝”魔术在课外探究活动中的运用

引导学生针对该魔术的原理和现象进行深入的课外实验探究，并取得了较好的效果。师生一起提出了很多有价值的问题，并通过学习小组探究活动共同经历寻找答案的过程。

(1)调换直流电动机工作电源的正负极，电动机会反向转动吗？

实验现象：用七号电池代替纽扣电池做实验，调换电源极性，发现改变电流方向后电动机反向转动。

(2)提高直流电动机的输入电压，螺杆的振动频率会改变吗？螺母的旋动快慢会发生什么变化？

探究发现：提高直流电动机的输入电压，螺杆的振动频率和振动幅度均增大，螺母向外旋动变快，现象更明显。

(3)螺母相对螺杆的旋动方向与什么因素有关？

实验现象：将直流电动机的输入电流反向后，螺母相对螺杆的移动方向也相应地反向变化，由向外旋出变为向内旋进。

(4)将两个或3个螺帽同时旋到螺杆上，能否正常表演？

将两个或3个螺帽同时旋到螺杆上，当小磁铁靠近螺杆接通电源时，可以看到螺母都会向外旋出，旋动的速度会变小。

(5)为什么螺杆的振动会引起螺母相对螺杆旋转？

理论探究：如图6所示，电动机工作时，在偏心轮的作用下螺杆做受迫振动，螺杆的振动频率与电机的旋转频率相同。螺杆在以下端螺帽为顶点的圆锥面上绕动，导致螺母有相对螺杆向外的运动趋势，最终的结果是螺母快速向外旋出。

图6

实验验证：如图7所示，取一根15 cm长的螺杆，上端旋有螺母。手握螺杆下端快速小幅度摇动，使其在以下端为顶点的圆锥面上绕动，发现螺母会相对螺杆上旋动。从上向下看，当逆时针快速摇动时，螺母相对螺杆向外旋出；当顺时针快速摇动时，螺母相对螺杆向内旋进。

图7

另外，教师还可以提出其他相关的问题，引导学生继续自主延伸探究。如：第一，螺丝是人们在生产生活中的重要发明。请你查阅相关资料，了解人类应用螺丝的发展历史，并说明螺丝中的物理学原理和数学原理。第二，查阅相关资料，了解直流电动机的工作原理。第三，了解魔术“心意螺丝”的原理后，能否据此原理提出具体的应用方案或制作出相关实物模型，以方便实际生活或提高生产效率。

六、结语

以上是对魔术“心意螺丝”的工作原理分析和在教学中运用案例介绍。兴趣是最好的教师，学生感兴趣的事物可能成为有价值的教学资源，教师要善于捕捉和运用这样的资源，因势利导服务教学。引导学生探究小魔术中的物理知识，能够提高学生学习物理的兴趣、解决实际问题的能力，有效培养质疑创新的精神。