磁懸浮趣味實驗的設(shè)計與裝置制作

黃少楚 馮曉明 楊明慧 佘鈺樟 施俊典 曾育鋒

(華南師范大學(xué)物理與電信工程學(xué)院 廣東 廣州 510006)

1 引言

在粵教版和人教版的九年級物理教材中，“磁”是作為獨立的章節(jié)來引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)的[1].因此，有關(guān)于“磁”的知識在中小學(xué)物理教材中是作為重點內(nèi)容呈現(xiàn)的.然而，由于磁場是“看不見、摸不著”的，導(dǎo)致磁方面的知識較為抽象，學(xué)習(xí)的難度相對較大，學(xué)生較難掌握這方面的知識.

而在中學(xué)物理教學(xué)過程當(dāng)中，學(xué)生對于物理演示實驗和學(xué)生實驗都很感興趣，原因在于學(xué)生好奇心強(qiáng)，富于幻想，求知欲旺盛.因此，如果在教學(xué)過程中適當(dāng)增加一些課外實驗供學(xué)生進(jìn)行實踐，可以引起學(xué)生對相關(guān)知識點的興趣，讓學(xué)生在歡樂中學(xué)習(xí)，同時鍛煉學(xué)生的動手操作能力，達(dá)到事半功倍的效果[2，3].

對此，筆者設(shè)計出一個關(guān)于“電”與“磁”知識的學(xué)生實驗“磁懸浮小車制作”.該實驗涉及了永磁體、電磁鐵、基本電路知識等，與九年級物理教學(xué)內(nèi)容相互匹配.通過永磁體使得小車懸浮，再利用磁體間“同性相斥、異性相吸”的知識點，使得小車上的電磁鐵帶動小車進(jìn)行運(yùn)動.該實驗向?qū)W生展現(xiàn)出“電”與“磁”的神奇力量，能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)知識的興趣，同時提高學(xué)生動手能力，使得學(xué)生在實驗中感悟?qū)W科原理在應(yīng)用中所蘊(yùn)含的創(chuàng)新元素及學(xué)科的價值魅力[4].

2 實驗原理

實驗主要是利用永磁體性質(zhì)以及螺線管通電后可等效為電磁鐵的特點進(jìn)行操作.以下分懸浮、動力、導(dǎo)向3個部分進(jìn)行介紹.

2.1 懸浮部分

利用永磁體“同性相斥，異性相吸”的基本性質(zhì)，在小車底端兩側(cè)和軌道底端兩側(cè)安放相同極性的磁鐵.設(shè)計如圖1所示的懸浮系統(tǒng)模型.

圖1 懸浮原理演示圖

2.2 動力部分

如圖2所示，以軌道兩側(cè)的永磁體對車載通電螺線管的斥力作為動力，利用繼電器的開閉巧妙提供持續(xù)的動力，即當(dāng)軌道兩側(cè)永磁體和通電螺線管作用力方向與小車前進(jìn)方向相同時，繼電器閉合[5,6].

圖2 動力原理演示圖

得

L2>L1

而傳感器和線圈的距離L3需保證傳感器感應(yīng)的過程中，線圈中心線位于磁鐵距離中心線之右、磁鐵中心線長度之左的范圍內(nèi)，則傳感器位于磁鐵右側(cè)時

傳感器位于磁鐵左側(cè)時

得

即

通過以上兩式即可得出L1,L2,L3三者之間的關(guān)系，具體的推導(dǎo)與數(shù)值計算可由學(xué)生自行處理,以鍛煉學(xué)生的計算和數(shù)據(jù)處理能力.下文中會給出L1,L2,L3的參考數(shù)值.

2.3 導(dǎo)向部分

小車上的通電螺線管和軌道兩側(cè)永磁體的作用力存在小車前進(jìn)左右方向的分力，該分力可以使小車在前進(jìn)過程中自行調(diào)整好左右平衡.同時，小車通過塑料軸承與軌道接觸[7]，將小車與軌道之間的滑動摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)闈L動摩擦，既減小了摩擦力，又實現(xiàn)了導(dǎo)向.

3 實驗所需材料

實驗所需的材料如表1所示.

表1 使用材料參考表

實驗所使用材料的參數(shù)與具體數(shù)量可進(jìn)行一定浮動，讀者可自行設(shè)計.

4 制作過程

4.1 小車框架

(1)取一塊10 cm×10 cm×0.5 cm的木板作為小車的底板，在4個角落用電鉆分別對稱等距地鉆出一個直徑恰好等于光軸直徑的小孔.

(2)將軸承穿入光軸，再將光軸穿入底板的小孔，并用熱熔膠封住固定.

(3)在每根光軸的另一端，依次貼合20 mm×10 mm×3 mm的磁鐵，于是可得到小車的大致框架.

4.2 小車電路

(1)用熱熔膠將電源轉(zhuǎn)接板和電磁繼電器驅(qū)動模塊(含MP1584EN穩(wěn)壓模塊)固定在面積為10 cm×8 cm的紙皮上，再用熱熔膠將紙皮固定在小車的底板上.

(2)用電線將航模專用的鋰聚合電池連接至電源轉(zhuǎn)接板，并用電工膠布將電池固定在小車的底板上.

(3)取3 cm×3 cm×1.5 cm和4 cm×3 cm×1 cm的小木塊，與鋁制散熱片[7]互相垂直貼合形成凹槽，凹槽處用電工膠布固定兩個并聯(lián)的400匝線圈，再將整體用熱熔膠固定于小車尾端底部.

(4)用電線連接線圈和電磁繼電器驅(qū)動模塊，再用電線從電磁繼電器驅(qū)動模塊引出來連接3144型霍爾傳感器，用熱熔膠將其固定于小車前端底部.在固定之前，取兩塊恰當(dāng)大小的泡沫板墊高，使3144型霍爾傳感器探頭與線圈中軸處于同一水平線上，并且相距3.25 cm.

小車成品如圖3,4,5所示.

圖3 懸浮小車正視圖

圖4 懸浮小車俯視圖

圖5 懸浮小車側(cè)視圖

4.3 軌道制作

(1)取兩塊亞克力板作為軌道的擋板，再取一塊與其相同長度的亞克力板作為軌道的底板，用熱熔膠將兩塊擋板的側(cè)邊分別固定在離底板邊緣1 cm的位置上.

(2)用熱熔膠將100 mm×10 mm×3 mm的長磁鐵固定于軌道底板兩側(cè)的表面上，長磁鐵與長磁鐵之間允許留有細(xì)微的縫隙；再用熱熔膠將20 mm×10 mm×3 mm的短磁鐵固定于軌道兩側(cè)擋板的內(nèi)表面上，短磁鐵與短磁鐵之間相距2.5 cm，并且兩側(cè)的磁鐵沿軌道中心線對稱分布.軌道實物如圖6所示.

圖6 軌道實物圖

5 制作效果

5.1 懸浮效果

將小車套入軌道并松開手，小車能穩(wěn)定地懸浮于軌道上，懸浮高度約為0.9 cm；當(dāng)用手將小車下壓，再松開手時，小車能迅速穩(wěn)定地懸浮回原來的平衡高度.

5.2 驅(qū)動效果

(1)閉合開關(guān)，小車能向前行進(jìn)；

(2)將電池反接，小車能向后倒車；

(3)換用電壓更大的航模用鋰聚合電池，小車速度明顯加快；

(4)在行駛期間，小車始終保持懸浮狀態(tài)，并能適應(yīng)多種軌道組合，如上坡、轉(zhuǎn)彎、折線跑、側(cè)邊跑等；

(5)若對軌道進(jìn)行改進(jìn)，即在軌道某位置的兩側(cè)擋板內(nèi)表面的短磁鐵上再分別多加一塊短磁鐵，小車能在此處位置實現(xiàn)停車.

6 結(jié)束語

本文介紹的磁懸浮小車制作方法簡單，材料易得，演示方便，適合中學(xué)物理教師在課堂用以充當(dāng)演示實驗,激發(fā)學(xué)生對“電”與“磁”等知識的興趣.

如今，由于物理課外科技實驗教學(xué)有利于培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，有利于激活學(xué)生的創(chuàng)造潛質(zhì)，有利于提高學(xué)生的創(chuàng)新能力，真正使素質(zhì)教育落到實處，能提高物理課堂教學(xué)質(zhì)量，所以物理課外科技實驗被越來越多的學(xué)校所重視[8,9].

而本實驗則可作為學(xué)生課外科技活動中一個很好的物理實驗素材，供學(xué)生對永磁體、電磁鐵等內(nèi)容進(jìn)行更進(jìn)一步的探索，同時加強(qiáng)學(xué)生的動手實踐能力.這樣既能讓學(xué)生對課堂知識進(jìn)行回顧，又能培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣，充分調(diào)動他們學(xué)習(xí)的積極性，促使他們在物理知識的學(xué)習(xí)和創(chuàng)新能力培養(yǎng)方面有一個更全面的發(fā)展[10,11].