磁悬浮趣味实验的设计与装置制作

黄少楚 冯晓明 杨明慧 佘钰樟 施俊典 曾育锋

(华南师范大学物理与电信工程学院 广东 广州 510006)

1 引言

在粤教版和人教版的九年级物理教材中，“磁”是作为独立的章节来引导学生学习的[1].因此，有关于“磁”的知识在中小学物理教材中是作为重点内容呈现的.然而，由于磁场是“看不见、摸不着”的，导致磁方面的知识较为抽象，学习的难度相对较大，学生较难掌握这方面的知识.

而在中学物理教学过程当中，学生对于物理演示实验和学生实验都很感兴趣，原因在于学生好奇心强，富于幻想，求知欲旺盛.因此，如果在教学过程中适当增加一些课外实验供学生进行实践，可以引起学生对相关知识点的兴趣，让学生在欢乐中学习，同时锻炼学生的动手操作能力，达到事半功倍的效果[2，3].

对此，笔者设计出一个关于“电”与“磁”知识的学生实验“磁悬浮小车制作”.该实验涉及了永磁体、电磁铁、基本电路知识等，与九年级物理教学内容相互匹配.通过永磁体使得小车悬浮，再利用磁体间“同性相斥、异性相吸”的知识点，使得小车上的电磁铁带动小车进行运动.该实验向学生展现出“电”与“磁”的神奇力量，能激发学生学习知识的兴趣，同时提高学生动手能力，使得学生在实验中感悟学科原理在应用中所蕴含的创新元素及学科的价值魅力[4].

2 实验原理

实验主要是利用永磁体性质以及螺线管通电后可等效为电磁铁的特点进行操作.以下分悬浮、动力、导向3个部分进行介绍.

2.1 悬浮部分

利用永磁体“同性相斥，异性相吸”的基本性质，在小车底端两侧和轨道底端两侧安放相同极性的磁铁.设计如图1所示的悬浮系统模型.

图1 悬浮原理演示图

2.2 动力部分

如图2所示，以轨道两侧的永磁体对车载通电螺线管的斥力作为动力，利用继电器的开闭巧妙提供持续的动力，即当轨道两侧永磁体和通电螺线管作用力方向与小车前进方向相同时，继电器闭合[5,6].

图2 动力原理演示图

得

L2>L1

而传感器和线圈的距离L3需保证传感器感应的过程中，线圈中心线位于磁铁距离中心线之右、磁铁中心线长度之左的范围内，则传感器位于磁铁右侧时

传感器位于磁铁左侧时

得

即

通过以上两式即可得出L1,L2,L3三者之间的关系，具体的推导与数值计算可由学生自行处理,以锻炼学生的计算和数据处理能力.下文中会给出L1,L2,L3的参考数值.

2.3 导向部分

小车上的通电螺线管和轨道两侧永磁体的作用力存在小车前进左右方向的分力，该分力可以使小车在前进过程中自行调整好左右平衡.同时，小车通过塑料轴承与轨道接触[7]，将小车与轨道之间的滑动摩擦转变为滚动摩擦，既减小了摩擦力，又实现了导向.

3 实验所需材料

实验所需的材料如表1所示.

表1 使用材料参考表

实验所使用材料的参数与具体数量可进行一定浮动，读者可自行设计.

4 制作过程

4.1 小车框架

(1)取一块10 cm×10 cm×0.5 cm的木板作为小车的底板，在4个角落用电钻分别对称等距地钻出一个直径恰好等于光轴直径的小孔.

(2)将轴承穿入光轴，再将光轴穿入底板的小孔，并用热熔胶封住固定.

(3)在每根光轴的另一端，依次贴合20 mm×10 mm×3 mm的磁铁，于是可得到小车的大致框架.

4.2 小车电路

(1)用热熔胶将电源转接板和电磁继电器驱动模块(含MP1584EN稳压模块)固定在面积为10 cm×8 cm的纸皮上，再用热熔胶将纸皮固定在小车的底板上.

(2)用电线将航模专用的锂聚合电池连接至电源转接板，并用电工胶布将电池固定在小车的底板上.

(3)取3 cm×3 cm×1.5 cm和4 cm×3 cm×1 cm的小木块，与铝制散热片[7]互相垂直贴合形成凹槽，凹槽处用电工胶布固定两个并联的400匝线圈，再将整体用热熔胶固定于小车尾端底部.

(4)用电线连接线圈和电磁继电器驱动模块，再用电线从电磁继电器驱动模块引出来连接3144型霍尔传感器，用热熔胶将其固定于小车前端底部.在固定之前，取两块恰当大小的泡沫板垫高，使3144型霍尔传感器探头与线圈中轴处于同一水平线上，并且相距3.25 cm.

小车成品如图3,4,5所示.

图3 悬浮小车正视图

图4 悬浮小车俯视图

图5 悬浮小车侧视图

4.3 轨道制作

(1)取两块亚克力板作为轨道的挡板，再取一块与其相同长度的亚克力板作为轨道的底板，用热熔胶将两块挡板的侧边分别固定在离底板边缘1 cm的位置上.

(2)用热熔胶将100 mm×10 mm×3 mm的长磁铁固定于轨道底板两侧的表面上，长磁铁与长磁铁之间允许留有细微的缝隙；再用热熔胶将20 mm×10 mm×3 mm的短磁铁固定于轨道两侧挡板的内表面上，短磁铁与短磁铁之间相距2.5 cm，并且两侧的磁铁沿轨道中心线对称分布.轨道实物如图6所示.

图6 轨道实物图

5 制作效果

5.1 悬浮效果

将小车套入轨道并松开手，小车能稳定地悬浮于轨道上，悬浮高度约为0.9 cm；当用手将小车下压，再松开手时，小车能迅速稳定地悬浮回原来的平衡高度.

5.2 驱动效果

(1)闭合开关，小车能向前行进；

(2)将电池反接，小车能向后倒车；

(3)换用电压更大的航模用锂聚合电池，小车速度明显加快；

(4)在行驶期间，小车始终保持悬浮状态，并能适应多种轨道组合，如上坡、转弯、折线跑、侧边跑等；

(5)若对轨道进行改进，即在轨道某位置的两侧挡板内表面的短磁铁上再分别多加一块短磁铁，小车能在此处位置实现停车.

6 结束语

本文介绍的磁悬浮小车制作方法简单，材料易得，演示方便，适合中学物理教师在课堂用以充当演示实验,激发学生对“电”与“磁”等知识的兴趣.

如今，由于物理课外科技实验教学有利于培养学生的学习兴趣，有利于激活学生的创造潜质，有利于提高学生的创新能力，真正使素质教育落到实处，能提高物理课堂教学质量，所以物理课外科技实验被越来越多的学校所重视[8,9].

而本实验则可作为学生课外科技活动中一个很好的物理实验素材，供学生对永磁体、电磁铁等内容进行更进一步的探索，同时加强学生的动手实践能力.这样既能让学生对课堂知识进行回顾，又能培养学生学习物理的兴趣，充分调动他们学习的积极性，促使他们在物理知识的学习和创新能力培养方面有一个更全面的发展[10,11].