摘 要 本文敘述了一種將氣墊導(dǎo)軌裝置改進(jìn)為永磁懸浮導(dǎo)軌的方法，解決了永磁懸浮功能實(shí)現(xiàn)的困難，強(qiáng)調(diào)了永磁懸浮技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)和重要性，擴(kuò)展了氣墊導(dǎo)軌裝置的應(yīng)用范圍，為進(jìn)一步的直線電磁數(shù)字驅(qū)動(dòng)研究奠定基礎(chǔ)，利用科技的進(jìn)步為社會(huì)的環(huán)保節(jié)能做出貢獻(xiàn)。

關(guān)鍵詞 氣墊導(dǎo)軌 永磁懸浮 直線驅(qū)動(dòng)

在物理實(shí)驗(yàn)中，由于摩擦的存在，導(dǎo)致誤差往往很大，甚至使某些實(shí)驗(yàn)無(wú)法進(jìn)行。若采用氣墊導(dǎo)軌等裝置，可使這一問(wèn)題得以較好的解決。但是氣墊導(dǎo)軌應(yīng)保持表面的平直度和光潔度，實(shí)驗(yàn)前必須用紗布沾少許酒精擦洗導(dǎo)軌表面和滑塊內(nèi)表面。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，勿將滑塊久放在導(dǎo)軌上，以免導(dǎo)軌表面拉傷，所有附件都應(yīng)放入附件盒，用塑料套把導(dǎo)軌蓋好。由此可見(jiàn)，對(duì)氣墊導(dǎo)軌及附件的維護(hù)工作是相當(dāng)繁重的。如果采用永磁懸浮技術(shù)加以改進(jìn)，可直接省去以上維護(hù)工作，并舍掉對(duì)氣泵的依賴，實(shí)驗(yàn)過(guò)程的噪音污染大大減少，電能消耗降低90%以上，還可以進(jìn)一步探究直線電磁驅(qū)動(dòng)等先進(jìn)科技技術(shù)。

一、首先觀察導(dǎo)軌裝置的構(gòu)造如下：

1、導(dǎo)軌 導(dǎo)軌是由長(zhǎng)1.2～1.5m的角鋁合金制成，導(dǎo)軌面上均勻分布著直徑約0.4mm的噴氣孔，導(dǎo)軌的一端裝有進(jìn)氣孔、另一端裝有滑輪，兩端內(nèi)側(cè)都裝有緩沖彈簧，整個(gè)導(dǎo)軌安裝在工字鋼梁上。

2、光電門安置在導(dǎo)軌側(cè)面，它由發(fā)光管和光敏管組成，利用光敏管受光照和不受光照時(shí)電勢(shì)的變化，產(chǎn)生電脈沖來(lái)控制數(shù)字毫秒計(jì)的“計(jì)”和“?！保M(jìn)行計(jì)時(shí)。

3、滑塊由角型鋁材制成，其兩側(cè)內(nèi)表面和導(dǎo)軌面精確吻合，兩端裝有緩沖器，其上可以加裝擋光片、附加重物等，以供各種不同實(shí)驗(yàn)的需要。

4、調(diào)節(jié)螺釘與墊塊用于調(diào)整水平程度。導(dǎo)軌的一端是單腳螺釘，另一端是雙腳螺釘，主要供調(diào)節(jié)導(dǎo)軌水平使用，墊塊用來(lái)改變氣墊導(dǎo)軌的斜度。根據(jù)要求可將不同尺寸的墊塊放在導(dǎo)軌單腳螺釘下得到不同斜度的斜面。一般滑塊被托起的高度約為10～100mm。

5、標(biāo)尺被固定在導(dǎo)軌一側(cè)，在定位窗上可讀出光電門的位置。

6、氣源連接端口，用橡皮管將其與氣源相連，并用開(kāi)關(guān)進(jìn)行控制。清潔的空氣從此進(jìn)入導(dǎo)軌內(nèi)，由導(dǎo)軌表面上的小孔噴出。

7、按照保持儀器原有功能不變的原則對(duì)儀器進(jìn)行如下改進(jìn)：將氣源端口拆開(kāi)，向?qū)к壙涨粌?nèi)安入截面為梯形的木制長(zhǎng)桿，其上表面與側(cè)面分別帖附極性相反的釹鐵硼永磁片，重新安裝好氣源端口。在滑塊的側(cè)面和上面同樣貼附導(dǎo)軌內(nèi)部極性相反的釹鐵硼永磁片，這樣滑塊就可以在槽型磁力勢(shì)軌上懸浮滑動(dòng)，技術(shù)的核心在于通過(guò)各磁片位置的合理分布，實(shí)現(xiàn)無(wú)阻力滑動(dòng)，并且防止脫軌的發(fā)生。

二、下面舉例利用永磁懸浮導(dǎo)軌裝置完成一系列常規(guī)實(shí)驗(yàn)

首先對(duì)光電計(jì)時(shí)系統(tǒng)的擋位和功能進(jìn)行正確設(shè)置。將數(shù)字毫秒計(jì)的“光控”信號(hào)輸入端和二光電門相聯(lián)，并選用、1ms檔；檢查光電門是否正常工作，然后對(duì)軌道調(diào)平。

（1）粗調(diào)：把二光電門置于導(dǎo)軌中部，相距60cm，離軌端距離大致相同。打開(kāi)氣源，放上滑塊，調(diào)節(jié)底腳螺絲，直至滑塊在氣軌上不再自由滑動(dòng)。（2）細(xì)調(diào)：將滑塊從導(dǎo)軌左端輕推一下，測(cè)其通過(guò)電門的時(shí)間、，調(diào)節(jié)底腳螺絲，使二者盡量相等，又從右端推一下滑塊，測(cè)出擋光時(shí)間′和′，同樣調(diào)節(jié)使二者盡量接近，則可認(rèn)為導(dǎo)軌的水平已調(diào)好。

1、速度、加速度的測(cè)量：在滑塊的一端系一條細(xì)線，繞過(guò)氣軌一端的滑輪后系一重物，由滑塊、托盤和砝碼構(gòu)成的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)在重力作用下作直線加速運(yùn)動(dòng)。在導(dǎo)軌上相距s的兩處放置二光電門，若測(cè)得此系統(tǒng)在重力mg作用下，滑塊通光電門時(shí)的速度分別為、，在滑塊上放置一中間有缺口的擋光片，使缺口正好在光電管前通過(guò)，用數(shù)字毫秒計(jì)檔測(cè)出滑塊和擋光片在光電門中通過(guò)時(shí)，二次擋光的時(shí)間間隔 ，則可得到該小間隔的平均速度，擋光片二前沿間距離為固定值 ，測(cè)出二光電門的距離S，并用游標(biāo)卡尺測(cè)量擋光片上的二前沿間的距離 。因 較小，則可認(rèn)為此平均速度為擋光片二前沿的中點(diǎn)通過(guò)光電門時(shí)，滑塊M的即時(shí)速度。只要測(cè)出了擋光片通過(guò)二光電門的時(shí)間間隔 和 ，則可得對(duì)應(yīng)的速度為、，可解得運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的加速度a。

2、碰撞研究。動(dòng)量守恒定律指出，如果一力學(xué)系統(tǒng)所受外力的矢量和為零，則系統(tǒng)的總動(dòng)量保持不變，若系統(tǒng)上某一方向上所受合外力為零，則系統(tǒng)在該方向上的總動(dòng)量將保持不變（即分動(dòng)量守恒）。在實(shí)驗(yàn)中，利用導(dǎo)軌上兩滑塊的對(duì)心碰撞來(lái)驗(yàn)證動(dòng)量守恒定律.忽略滑塊與導(dǎo)軌之間的摩擦力，則質(zhì)量分別為和的兩滑塊之間在水平方向只受互相碰撞的作用內(nèi)力，因而碰撞前后的總動(dòng)量保持不變，若以、，、分別表示它們碰撞前后的速度，則由動(dòng)量守恒定律，在碰撞方向上有+=+。

（1）完全彈性碰撞。

在完全彈性碰撞中，碰撞前后不僅系統(tǒng)的動(dòng)量守恒，而且機(jī)械能也守恒，實(shí)驗(yàn)時(shí)，在兩滑塊的相碰端裝上彈簧片，當(dāng)兩滑塊相碰時(shí)，彈簧片發(fā)生彈性形變后迅速恢復(fù)原狀，并將滑塊彈開(kāi)，系統(tǒng)的機(jī)械能近似沒(méi)有損失，即兩滑塊的總動(dòng)能不變。

調(diào)平導(dǎo)軌，檢查光電系統(tǒng)（選擇、1ms檔）使之能正常測(cè)量。

取帶有緩沖彈簧的兩滑塊稱出其質(zhì)量和，并將放在兩光電門中間，使其靜止，滑塊放在導(dǎo)軌一端，將其輕輕推向，記下經(jīng)過(guò)光電門1時(shí)的時(shí)間間隔 t10，兩滑塊相碰后，以速度、以速度運(yùn)動(dòng)。記下滑塊與經(jīng)過(guò)各自光電門的時(shí)間和（注意在滑塊經(jīng)過(guò)光電門Ⅱ后，應(yīng)使其靜止于軌端，重復(fù)上述測(cè)量3～5次。從以上各次測(cè)量結(jié)果計(jì)算碰撞前后的動(dòng)量和，驗(yàn)證碰撞前后的動(dòng)量是否守恒。

（2）完全非彈性碰撞。

在兩滑塊的相碰面上粘上橡皮泥，碰撞后兩滑塊粘在一起以同一速度運(yùn)動(dòng)，即可實(shí)現(xiàn)完全非彈性碰撞。

首先保持導(dǎo)軌水平，在兩滑塊的相碰端粘上橡皮泥，稱出兩滑塊的質(zhì)量和。將靜止于兩光電門之間，將放在導(dǎo)軌一端輕輕推動(dòng)去碰撞，測(cè)量碰撞前后的速度，重測(cè)3～5次。計(jì)算各次碰撞前后的動(dòng)量和，即可驗(yàn)證動(dòng)量守恒。

參考文獻(xiàn)：

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[2]張志東.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)[M].北京：科學(xué)出版社，2004：120-121.

（作者單位：吉林建筑大學(xué)基礎(chǔ)科學(xué)部）