黃少楚 馮曉明 楊明慧 佘鈺樟 施俊典 曾育鋒

(華南師范大學(xué)物理與電信工程學(xué)院 廣東 廣州 510006)

1 引言

在粵教版和人教版的九年級(jí)物理教材中，“磁”是作為獨(dú)立的章節(jié)來引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)的[1].因此，有關(guān)于“磁”的知識(shí)在中小學(xué)物理教材中是作為重點(diǎn)內(nèi)容呈現(xiàn)的.然而，由于磁場是“看不見、摸不著”的，導(dǎo)致磁方面的知識(shí)較為抽象，學(xué)習(xí)的難度相對較大，學(xué)生較難掌握這方面的知識(shí).

而在中學(xué)物理教學(xué)過程當(dāng)中，學(xué)生對于物理演示實(shí)驗(yàn)和學(xué)生實(shí)驗(yàn)都很感興趣，原因在于學(xué)生好奇心強(qiáng)，富于幻想，求知欲旺盛.因此，如果在教學(xué)過程中適當(dāng)增加一些課外實(shí)驗(yàn)供學(xué)生進(jìn)行實(shí)踐，可以引起學(xué)生對相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的興趣，讓學(xué)生在歡樂中學(xué)習(xí)，同時(shí)鍛煉學(xué)生的動(dòng)手操作能力，達(dá)到事半功倍的效果[2，3].

對此，筆者設(shè)計(jì)出一個(gè)關(guān)于“電”與“磁”知識(shí)的學(xué)生實(shí)驗(yàn)“磁懸浮小車制作”.該實(shí)驗(yàn)涉及了永磁體、電磁鐵、基本電路知識(shí)等，與九年級(jí)物理教學(xué)內(nèi)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(shí)點(diǎn)，使得小車上的電磁鐵帶動(dòng)小車進(jìn)行運(yùn)動(dòng).該實(shí)驗(yàn)向?qū)W生展現(xiàn)出“電”與“磁”的神奇力量，能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)知識(shí)的興趣，同時(shí)提高學(xué)生動(dòng)手能力，使得學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中感悟?qū)W科原理在應(yīng)用中所蘊(yùn)含的創(chuàng)新元素及學(xué)科的價(jià)值魅力[4].

2 實(shí)驗(yàn)原理

實(shí)驗(yàn)主要是利用永磁體性質(zhì)以及螺線管通電后可等效為電磁鐵的特點(diǎn)進(jìn)行操作.以下分懸浮、動(dòng)力、導(dǎo)向3個(gè)部分進(jìn)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(zhì)，在小車底端兩側(cè)和軌道底端兩側(cè)安放相同極性的磁鐵.設(shè)計(jì)如圖1所示的懸浮系統(tǒng)模型.

圖1 懸浮原理演示圖

2.2 動(dòng)力部分

如圖2所示，以軌道兩側(cè)的永磁體對車載通電螺線管的斥力作為動(dòng)力，利用繼電器的開閉巧妙提供持續(xù)的動(dòng)力，即當(dāng)軌道兩側(cè)永磁體和通電螺線管作用力方向與小車前進(jìn)方向相同時(shí)，繼電器閉合[5,6].

圖2 動(dòng)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(yīng)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(nèi)，則傳感器位于磁鐵右側(cè)時(shí)

傳感器位于磁鐵左側(cè)時(shí)

得

即

通過以上兩式即可得出L1,L2,L3三者之間的關(guān)系，具體的推導(dǎo)與數(shù)值計(jì)算可由學(xué)生自行處理,以鍛煉學(xué)生的計(jì)算和數(shù)據(jù)處理能力.下文中會(huì)給出L1,L2,L3的參考數(shù)值.

2.3 導(dǎo)向部分

小車上的通電螺線管和軌道兩側(cè)永磁體的作用力存在小車前進(jìn)左右方向的分力，該分力可以使小車在前進(jìn)過程中自行調(diào)整好左右平衡.同時(shí)，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(dòng)摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)闈L動(dòng)摩擦，既減小了摩擦力，又實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)向.

3 實(shí)驗(yàn)所需材料

實(shí)驗(yàn)所需的材料如表1所示.

表1 使用材料參考表

實(shí)驗(yàn)所使用材料的參數(shù)與具體數(shù)量可進(jìn)行一定浮動(dòng)，讀者可自行設(shè)計(jì).

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(gè)角落用電鉆分別對稱等距地鉆出一個(gè)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(zhuǎn)接板和電磁繼電器驅(qū)動(dòng)模塊(含MP1584EN穩(wěn)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(zhuǎn)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(gè)并聯(lián)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(qū)動(dòng)模塊，再用電線從電磁繼電器驅(qū)動(dòng)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(dāng)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(cè)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(cè)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(cè)的表面上，長磁鐵與長磁鐵之間允許留有細(xì)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(cè)擋板的內(nèi)表面上，短磁鐵與短磁鐵之間相距2.5 cm，并且兩側(cè)的磁鐵沿軌道中心線對稱分布.軌道實(shí)物如圖6所示.

圖6 軌道實(shí)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(wěn)定地懸浮于軌道上，懸浮高度約為0.9 cm；當(dāng)用手將小車下壓，再松開手時(shí)，小車能迅速穩(wěn)定地懸浮回原來的平衡高度.

5.2 驅(qū)動(dòng)效果

(1)閉合開關(guān)，小車能向前行進(jìn)；

(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(tài)，并能適應(yīng)多種軌道組合，如上坡、轉(zhuǎn)彎、折線跑、側(cè)邊跑等；

(5)若對軌道進(jìn)行改進(jìn)，即在軌道某位置的兩側(cè)擋板內(nèi)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(shí)現(xiàn)停車.

6 結(jié)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(xué)物理教師在課堂用以充當(dāng)演示實(shí)驗(yàn),激發(fā)學(xué)生對“電”與“磁”等知識(shí)的興趣.

如今，由于物理課外科技實(shí)驗(yàn)教學(xué)有利于培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，有利于激活學(xué)生的創(chuàng)造潛質(zhì)，有利于提高學(xué)生的創(chuàng)新能力，真正使素質(zhì)教育落到實(shí)處，能提高物理課堂教學(xué)質(zhì)量，所以物理課外科技實(shí)驗(yàn)被越來越多的學(xué)校所重視[8,9].

而本實(shí)驗(yàn)則可作為學(xué)生課外科技活動(dòng)中一個(gè)很好的物理實(shí)驗(yàn)素材，供學(xué)生對永磁體、電磁鐵等內(nèi)容進(jìn)行更進(jìn)一步的探索，同時(shí)加強(qiáng)學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力.這樣既能讓學(xué)生對課堂知識(shí)進(jìn)行回顧，又能培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣，充分調(diào)動(dòng)他們學(xué)習(xí)的積極性，促使他們在物理知識(shí)的學(xué)習(xí)和創(chuàng)新能力培養(yǎng)方面有一個(gè)更全面的發(fā)展[10,11].