磁悬浮导轨上的力学实验误差分析

李爽 周晓红 胡永金 毛书哲

摘 要

磁悬浮实验套装在一定程度上普及了磁悬浮技术的应用，但是由于仪器设计的自身限制，使得实验误差比较大，文章在分析了引起实验误差的基础上，既对实验指导提出了可行性意见，又在仪器研发的设计上给出了合理的建议。

关键词

磁悬浮;DHSY-1型;误差分析;仪器改进

中图分类号： P204                       文献标识码： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457 . 2020 . 18 . 12

随着科技的发展，磁悬浮技术的应用越来越广泛，为了使学生在物理实验学习中了解并掌握磁悬浮技术，我校大学物理实验教学中心引入了磁悬浮实验仪器套装，开设相关的力学实验，取得了一定的教学效果。但是在实验过程中，也发现该磁悬浮仪器套装在设计上有一定的局限性，在数据测量中存在一定的误差。

1 仪器介绍

本实验室采用的磁悬浮仪器套装是DHSY-1型，实验装置如图1所示，有导轨、滑块、光电门、计数器等配件组成，导轨主体部分呈槽轨状。此仪器套装采用的是最基本的永磁悬浮技术，即在槽轨底部的中心轴线嵌入一层永磁体（钕铁硼NdFeB磁钢），同时在滑块的底部安装同极性的磁钢，形成两组带状磁场，如下图2所示。滑块与导轨是同极性磁铁，上下之间产生斥力，使滑块浮起来，避免相互接触，从而减少了运动的阻力此外，滑块在导轨槽内滑行，为了减小与两侧挡板摩擦，在滑块的两侧设计有滑轮。

2 误差分析与仪器设计

2.1 滑轮与两侧挡板间的摩擦

滑块在导轨内运行时，为了保证滑块在运行过程中不发生倾斜，处于稳定状态，必须使其与两侧挡板接触。虽然在设计滑轮的设计时，它是可以内外伸缩的，滑轮与挡板的动摩擦因数也很小，但是有些同学在实验过程中，不调节滑轮的位置，致使滑轮与挡板密切接触，使得摩擦力增大，滑块上滑轮与导轨位置上方俯瞰图如下图3所示。

2.2 滑块在运行过程中上下浮动

由于滑块运行过程中在竖直方向上受到的是重力和磁力的作用，其受力分析示意图如上图4所示。重力始终不会发生变化，但是在此过程中磁力均匀，滑块在运行时磁力有大有小，使得滑块在运行时“上下颠簸”，使得测量数据产生误差。

3 仪器改进设计

基于上述分析，设计并制作出一个用于实验且误差小的磁悬浮装置，如下图5所示。该装置包括测量尺、梯形滑轨和与梯形滑轨形状相匹配的槽状滑行器，槽状滑行器位于梯形滑轨上方且槽口朝向梯形滑轨。梯形滑轨的上表面以及两个侧面均设置有钕铁硼磁片，槽状滑行器的内壁设置有钕铁硼磁片，两磁片磁性相同，测量尺与梯形滑轨平行，且沿梯形滑轨的长度方向设置，受力比较均匀。

4 实验建议与总结

由于现有磁悬浮仪器套装在设计方面的固有缺陷，使得实验数据误差较大，除了通过改进实验仪器减小测量误差外，教师在进行实验指导是也要做到以下几点：

（1）在进行实验指导时，将实验仪器的设计理念讲解清楚，使学生在实验操作中能够明确知道自己的操作是否正确。

（2）实验指导教师应该根据学生的情况及时纠正其错误操作。

（3）在推动滑块时要求使用合适的速度进行实验。

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