磁懸浮趣味實驗的設計與裝置制作

黃少楚 馮曉明 楊明慧 佘鈺樟 施俊典 曾育鋒

(華南師范大學物理與電信工程學院 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”是作為獨立的章節來引導學生學習的[1].因此，有關于“磁”的知識在中小學物理教材中是作為重點內容呈現的.然而，由于磁場是“看不見、摸不著”的，導致磁方面的知識較為抽象，學習的難度相對較大，學生較難掌握這方面的知識.

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

對此，筆者設計出一個關于“電”與“磁”知識的學生實驗“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，與九年級物理教學內容相互匹配.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行運動.該實驗向學生展現出“電”與“磁”的神奇力量，能激發學生學習知識的興趣，同時提高學生動手能力，使得學生在實驗中感悟學科原理在應用中所蘊含的創新元素及學科的價值魅力[4].

2 實驗原理

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

2.1 懸浮部分

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

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的動力，即當軌道兩側永磁體和通電螺線管作用力方向與小車前進方向相同時，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，則傳感器位于磁鐵右側時

傳感器位于磁鐵左側時

得

即

通過以上兩式即可得出L1,L2,L3三者之間的關系，具體的推導與數值計算可由學生自行處理,以鍛煉學生的計算和數據處理能力.下文中會給出L1,L2,L3的參考數值.

2.3 導向部分

小車上的通電螺線管和軌道兩側永磁體的作用力存在小車前進左右方向的分力，該分力可以使小車在前進過程中自行調整好左右平衡.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變為滾動摩擦，既減小了摩擦力，又實現了導向.

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與具體數量可進行一定浮動，讀者可自行設計.

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)用熱熔膠將電源轉接板和電磁繼電器驅動模塊(含MP1584EN穩壓模塊)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動模塊，再用電線從電磁繼電器驅動模塊引出來連接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的表面上，長磁鐵與長磁鐵之間允許留有細微的縫隙；再用熱熔膠將20 mm×10 mm×3 mm的短磁鐵固定于軌道兩側擋板的內表面上，短磁鐵與短磁鐵之間相距2.5 cm，并且兩側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，小車能穩定地懸浮于軌道上，懸浮高度約為0.9 cm；當用手將小車下壓，再松開手時，小車能迅速穩定地懸浮回原來的平衡高度.

5.2 驅動效果

(1)閉合開關，小車能向前行進；

(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，并能適應多種軌道組合，如上坡、轉彎、折線跑、側邊跑等；

(5)若對軌道進行改進，即在軌道某位置的兩側擋板內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停車.

6 結束語

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

如今，由于物理課外科技實驗教學有利于培養學生的學習興趣，有利于激活學生的創造潛質，有利于提高學生的創新能力，真正使素質教育落到實處，能提高物理課堂教學質量，所以物理課外科技實驗被越來越多的學校所重視[8,9].

而本實驗則可作為學生課外科技活動中一個很好的物理實驗素材，供學生對永磁體、電磁鐵等內容進行更進一步的探索，同時加強學生的動手實踐能力.這樣既能讓學生對課堂知識進行回顧，又能培養學生學習物理的興趣，充分調動他們學習的積極性，促使他們在物理知識的學習和創新能力培養方面有一個更全面的發展[10,11].