自制磁力小車

劉思佳　李瑩　宮慶萍

摘要：自制電磁驅(qū)動(dòng)小車，用于安培力概念教學(xué)，分析了小車運(yùn)行速度與磁力大小和電壓大小的關(guān)系.

關(guān)鍵詞：自制磁力小車；電磁驅(qū)動(dòng)

作者簡(jiǎn)介：劉思佳（1993-），女，黑龍江人，碩士研究生在讀，研究方向：物理學(xué)科教學(xué).

“膠囊超級(jí)高鐵”，這一概念最初由PayPal、特斯拉和Space X創(chuàng)始人伊隆·馬斯克在2012年提出.當(dāng)時(shí)加州在建的高鐵在馬斯克眼中不僅速度慢，并且造價(jià)昂貴，因此“膠囊超級(jí)高鐵”概念應(yīng)運(yùn)而生，并被馬斯克稱為人類的“第五種交通方式”. 膠囊列車（又名膠囊超級(jí)高鐵），是由兩家美國(guó)公司相繼利用“真空管道運(yùn)輸”的概念，正在研究的一種全新交通工具.據(jù)稱，這種“膠囊”列車可以超高速、低能耗、無噪聲、零污染.被認(rèn)為是繼汽車、輪船、火車和飛機(jī)之后的新一代交通運(yùn)輸工具.2005年西南交通大學(xué)成立真空管道運(yùn)輸研究所，正式啟動(dòng)中國(guó)管道運(yùn)輸領(lǐng)域的研究和開發(fā).為了使學(xué)生了解安培力和電磁驅(qū)動(dòng)概念，筆者自制了電磁驅(qū)動(dòng)模擬小車，用以模擬電磁驅(qū)動(dòng)[1].

1實(shí)驗(yàn)原理

物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生了變化，一定是受到了力的作用，從本教具來看，電池運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力為磁場(chǎng)力.在圖1中，電池兩端的磁鐵與線圈A、B兩點(diǎn)接觸，電池、磁鐵與線圈形成通電螺線管，產(chǎn)生的電流方向?yàn)榫€圈中箭頭方向，通電螺線管內(nèi)部產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向向右，A、B兩點(diǎn)為螺線管邊緣處，此處的場(chǎng)強(qiáng)非勻強(qiáng)磁場(chǎng).

電池兩端所吸附的磁鐵可以等效為一個(gè)小的通電螺線管，如圖2所示，此時(shí)當(dāng)磁鐵、電池與銅線形成回路時(shí)，磁鐵中可以看作有無數(shù)的環(huán)形電流.

在電池兩端的兩個(gè)等效螺線管上分別取一個(gè)環(huán)性電流（如圖3），這兩個(gè)環(huán)形電流在線圈磁場(chǎng)的作用下產(chǎn)生磁場(chǎng)力，由于線圈與電池和磁鐵半徑很接近，因此可以認(rèn)為三者軸線共線，兩端磁場(chǎng)對(duì)稱幅向分布，由左手安培定則可以判斷出力的方向，由于環(huán)形電流也具有極對(duì)稱性，因此環(huán)形電流所受的安培力在垂直于軸線方向的平面內(nèi)相互抵消，只存在沿軸線方向的力.因此，一塊磁鐵上所受的磁場(chǎng)力為F=2F1，整個(gè)小火車受到的磁場(chǎng)力為F1=∫badF，小火車在電磁力力的作用下開始運(yùn)動(dòng).

2實(shí)驗(yàn)用具

干電池、銅線、汝鐵硼磁鐵、紐扣電池、紅外發(fā)光管、LED、導(dǎo)線、木塊墊塊等.

3實(shí)驗(yàn)步驟

（1）將一節(jié)七號(hào)電池兩端各附著直徑為12mm的強(qiáng)力磁鐵，并保證吸附相同的磁極，制成小火車.

（2）將裸銅線繞成直徑為20mm的裸銅線圈，分別制作450mm順時(shí)針纏繞銅線圈兩根，以及1000mm逆時(shí)針纏繞銅線圈一根.

（3）將裝置按照實(shí)驗(yàn)實(shí)物圖（圖4）安裝在木質(zhì)底板上，并用膠粘合固定.

（4）在順時(shí)針纏繞平行銅線圈兩端加上紅外發(fā)光管，以及LED燈，做成光電開關(guān)，當(dāng)小火車通過時(shí)LED燈亮.

（5）將電池做成的小火車放在裝置上，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象.

4實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1磁鐵數(shù)量對(duì)小車運(yùn)行速度的影響

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示.在一定范圍內(nèi)，小火車跑完全程所需要的時(shí)間t隨磁鐵個(gè)數(shù)的增加而減少，超過某個(gè)值后，小火車所需時(shí)間t增加，小火車的速度隨磁鐵數(shù)量的變化規(guī)律為：小火車速度先隨磁鐵的數(shù)量增加而增加，增大到某一值后隨磁鐵數(shù)量的增加而減小.

理論解釋：在磁鐵數(shù)量比較少時(shí)，小火車推力主要由電池決定，磁鐵對(duì)其影響較小；磁鐵個(gè)數(shù)較多時(shí)，小火車受到的磁場(chǎng)力較大，速度較快，但是磁鐵個(gè)數(shù)增多也會(huì)影響小火車體系的質(zhì)量，以及小火車與線圈間的摩擦力很大，合外力減小，小火車的加速度減小，小火車的速度逐漸減慢.

4.2電池電壓對(duì)小車運(yùn)行速度的影響

實(shí)驗(yàn)可觀察到，小火車在運(yùn)行幾次后運(yùn)行速度明顯減慢，由于實(shí)驗(yàn)小火車電池處于近似短路狀態(tài)運(yùn)行，所以小火車運(yùn)行幾次后，電池電壓降低很快，電池內(nèi)阻增大，電流減小，從而小車速度減慢.但是，小火車的速度隨電池電壓的增加而增加.

5小結(jié)

本教具可應(yīng)用于人教版高中物理選修3-1電磁學(xué)部分學(xué)習(xí).在常規(guī)物理教學(xué)中有以下應(yīng)用：一是教學(xué)情景引入，由于實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，操作簡(jiǎn)單，可以極大地激發(fā)學(xué)生的好奇心，激發(fā)學(xué)生的求知欲望；二是補(bǔ)充課程資源，鼓勵(lì)學(xué)生動(dòng)手創(chuàng)作，通過實(shí)驗(yàn)使學(xué)生進(jìn)一步理解電磁間的相互作用，開發(fā)學(xué)生思維，鼓勵(lì)學(xué)生動(dòng)手創(chuàng)作.

參考文獻(xiàn)：

[1]張建明.自制電磁驅(qū)動(dòng)小火車[J].中學(xué)物理，2018，36（9）：54.