基本信息
- 項目名稱：
- 磁懸浮列車演示儀
- 小類：
- 數(shù)理
- 大類：
- 科技發(fā)明制作B類
- 簡介：
- 基于磁懸浮與機械驅(qū)動原理研制了“磁懸浮列車”教學(xué)儀。該教學(xué)儀可以演示磁懸浮列車的懸浮效果。
- 詳細介紹：
- 一、引言 磁懸浮列車是一種沒有車輪，陸上無接觸式的有軌交通工具，時速可達到500公里。它利用常導(dǎo)或超導(dǎo)電磁鐵與感應(yīng)磁場之間產(chǎn)生相互吸引或排斥力，使列車“懸浮”在軌道后或下面，做無摩擦的運行，具有啟動、停車快和爬坡能力強等優(yōu)點。[1] 在浙教版初中《科學(xué)》課本中講到兩個同名磁極相互排斥，但沒有實例，并且在目前的中小學(xué)教育中缺少“磁懸浮列車”教學(xué)儀。本文介紹了一種簡單易懂的教學(xué)儀模型，能使中小學(xué)生對磁懸浮列車有初步的形象認識，同時對兩個同名磁極相互排斥這一結(jié)論有更深的理解。[2] 二、功能簡介 “磁懸浮列車”教學(xué)儀依靠同名磁極相互間的斥力使小車處于懸浮狀態(tài)，進而實現(xiàn)小車與軌道間無機械接觸。當(dāng)給小電動機通以3v低壓電源后，電動機旋轉(zhuǎn)的軸會帶動小車沿圓軌道運行。 該演示儀使用簡單，用通俗易懂的方式演示磁懸浮列車懸浮原理，在教學(xué)過程中起到很好的輔助作用，使中小學(xué)生對磁懸浮列車懸浮原理有初步的認識。 三、“磁懸浮列車”教學(xué)儀的主要結(jié)構(gòu) 四、“磁懸浮列車”教學(xué)儀的物理原理 此模型使用了塑料磁性條，塑料磁性條寬1cm，厚1cm，正反兩面有N極和S極兩種不同的磁極。利用同名磁極相互排斥，異名磁極相互吸引這一原理使得小車能夠懸浮起來。同時使用了一個3V的電動機，將小車粘在軸承的木條上，電動機通電后，軸承運轉(zhuǎn)，帶動連接木條沿圓軌道運行，從而粘在木條上的小車也沿圓軌道運動。所以，電動機是磁懸浮列車能夠啟動的動力來源，電路原理如圖2。 五、“磁懸浮列車”教學(xué)儀制作 1、制作一個直徑為60cm的木制圓盤，將電動機裝在圓盤底部，并使電動機的軸承從圓盤底部的圓心穿上，使軸承高出圓盤平面一定距離，以便與固定小車的小木條連接。 2、將寬1cm，厚1cm塑料磁性條在木制圓盤的邊緣圍成一個直徑為50 cm的圓，作為磁懸浮列車模型的軌道。并做兩條長為30cm的小木條，分別在其一端用電鉆鉆一個與軸承直徑相同的小洞。將兩個小木條一上一下套在軸承上，且兩條小木條稍微岔開，呈五度角，用以承載小車。同時分別在小木條的表面用玻璃膠粘上一小段塑料磁性條，使小段塑料磁性條在圓軌道正上方，并使小磁條與軌道的同名磁極相對放置，利用同名磁極相斥的原理使得小段塑料磁性條和木條能夠懸浮起來。小木條的作用是使小段塑料磁性條處在軌道的正上方，這樣軌道和小段塑料磁性條間的斥力才能把小木條和小段塑料磁性條浮起來。將自制的泡沫小車模型用膠水固定在粘有小段塑料磁性條的木條的一端。 3、將電動機與學(xué)生電源、電位器（滑動變阻器）、開關(guān)用導(dǎo)線相連。 4、打開電源，調(diào)節(jié)電壓，便能看到原本浮起的小車在電動機的帶動下繞圓形軌道運動起來。同時調(diào)節(jié)滑動變阻器可以隨時改變小車的速度。 六、“磁懸浮列車”教學(xué)儀的演示 1、用導(dǎo)線將接線柱與學(xué)生電源連接。 2、調(diào)節(jié)電壓，打開開關(guān)，調(diào)節(jié)滑動變阻器使懸浮在空中的小車轉(zhuǎn)動起來。 3、調(diào)節(jié)滑動變阻器，改變小車的速度。 4、電源反接，小車將倒著開。 七、“磁懸浮列車”教學(xué)儀的改進方向 1、模型動力問題的改進。將模型的動力由軸心轉(zhuǎn)移到小車上。 2、改進小車與電動機之間的連接桿。連接桿的設(shè)計會讓學(xué)生誤以為是離心力使小車浮起來，而非磁條同性相斥原理使小車浮起。 因此還需對其進行改進，把原有的環(huán)形軌道改成直行軌道，使磁懸浮更加明顯，并去除兩個連接桿，使其在外觀和實質(zhì)上更加接近真實的磁懸浮列車，使學(xué)生能夠更加清晰的看到磁懸浮現(xiàn)象。 基金項目：浙江省新苗人才計劃推廣項目。 參考文獻 [1]吳萃嫻,磁懸浮列車原理初探,學(xué)術(shù)觀察,2009 [2]朱清時,科學(xué)八年級下,浙江教育出版社 [3]李佳,探討制定物理教學(xué)儀器標準應(yīng)遵循的原則[J].物理實驗,2001年，第21卷第5期：27-28 [4]金毅,我國中學(xué)物理教學(xué)儀器的現(xiàn)狀及近期內(nèi)的發(fā)展方向[J].物理實驗,1993年,第13卷第6期：264-265 [5]易立志,左安友，“弦振動的研究”實驗儀器的改進[J].物理實驗,2001年,第21卷第6期：47
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標
- 目的和基本思路：針對當(dāng)前的中小學(xué)教育中教具的地位與作用以及當(dāng)前中小學(xué)中該類教具的缺乏這一現(xiàn)象，我們小組同學(xué)通過構(gòu)思積極的參與到“磁懸浮列車演示儀”的制作與研究中來，經(jīng)過第七屆科研立項，湖州師范學(xué)院2009-2010年實驗室開放項目以及浙江省大學(xué)生科技創(chuàng)新活動計劃（新苗人才計劃）。將其逐步進行完善。 創(chuàng)新點：希望能模型中更直觀的展示一些磁懸浮原理，并將磁懸浮真正的帶進學(xué)校帶進課堂，成為一件教具，使得同學(xué)們能夠?qū)ζ溆懈玫睦斫狻? 技術(shù)關(guān)鍵：使得磁體小車能夠按照我們所設(shè)定的圓軌進行懸浮并運動。 主要技術(shù)指標：在該項目的開展期間，我們已經(jīng)完成如下成果： 1.國家實用新型專利1項，專利證書編號為：CN200920122675.8； 2.核心期刊發(fā)表論文1篇，發(fā)表在《現(xiàn)代物業(yè)》（科技版），編號為AF4321； 3.與平湖市春苗教育裝備有限責(zé)任公司簽訂生產(chǎn)協(xié)議。
科學(xué)性、先進性
- 本模型將當(dāng)前“磁懸浮列車”中的磁現(xiàn)象更好的展現(xiàn)給了學(xué)生，使得學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中能夠?qū)τ诖庞懈又庇^的了解與認識。
獲獎情況及鑒定結(jié)果
- 1.湖州師范學(xué)院第五屆物理實驗技能競賽一等獎 2.湖州師范學(xué)院理學(xué)院第七屆大學(xué)生科研立項優(yōu)秀項目 3.湖州師范學(xué)院2009-2010學(xué)年學(xué)生實驗室開放項目優(yōu)秀項目 4.2010年3月24日正式獲得國家實用新型專利 5.本項目獲2009年浙江省大學(xué)生科技創(chuàng)新活動計劃（新苗人才計劃）項目
作品所處階段
- 生產(chǎn)階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 專利轉(zhuǎn)讓
作品可展示的形式
- 模型、圖紙、現(xiàn)場演示
使用說明,技術(shù)特點和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預(yù)測
- 圓軌型教學(xué)演示儀為電動，且小車與軌道之間的斥力是連續(xù)的，這樣在演示時相比較而言更加的順暢，將電源反接后小車就能逆向行駛。同時圓軌型演示儀在改變其滑動變阻器阻值大小時還能改變小車的速度。在這一層面上更加接近實際生活中的磁懸浮列車。 由于當(dāng)前中小學(xué)中與磁懸浮相關(guān)的演示儀基本處于空白狀態(tài)，所以該“磁懸浮列車演示儀”具有良好的運用前景，同時該項目已與平湖市春苗教育裝備有限責(zé)任公司簽訂生產(chǎn)協(xié)議。
同類課題研究水平概述
- 目前，國際上磁懸浮列車主要存在兩種技術(shù)體系。 EMS 系統(tǒng) EMS(Electro Magnetic Suspension)系統(tǒng)，中文譯為電磁制。EMS制的研發(fā)在德國得到了較好的發(fā)展，目前德國在這方面的研制水平已經(jīng)處于世界領(lǐng)先地位。該系統(tǒng)中懸浮電磁鐵是由普通導(dǎo)線通過繞制而成的,它屬于常導(dǎo)型(相對超導(dǎo)而言)。同時由于在該系統(tǒng)中靠的是電磁體的吸力將列車吸離地面，所以又稱吸力型(相對斥力而言)。當(dāng)前國內(nèi)外眾所周知的上海浦東的磁浮列車全套EMS制技術(shù)就是從德國引進的，并且基本上該套技術(shù)采用的還是1934年肯佩爾專利的形式，但是與其不同之處就在于上海磁懸浮列車將車廂由軌道下方移到了上方。 EDS系統(tǒng) EDS(Electro Dynamics Suspension)由美國的鮑威爾(Powell)和丹比(Danby)于1966年提出。EDS系統(tǒng)的研究在日本得到了較好的發(fā)展，當(dāng)前日本所研發(fā)的EDS制磁浮列車在世界其他國家所研制的EDS制種處于領(lǐng)先地位。當(dāng)前磁浮列車速度的世界紀錄就是由日本所研制的EDS制創(chuàng)造的。 HSST系統(tǒng) HSST(High Speed Surface Transport)系統(tǒng)被稱為高速地面運輸系統(tǒng)，最初是由德國發(fā)明，但是后來日本從當(dāng)時的聯(lián)邦德國引進基礎(chǔ)技術(shù)后做了進一步研發(fā)。該系統(tǒng)的懸浮原理（通過車載電磁鐵吸引鐵軌并加以控制以實現(xiàn)懸浮）與EMS制懸浮原理相同。該系統(tǒng)下的懸浮高度也是在10毫米左右(見圖2)。但是與EMS制系統(tǒng)相比較，該系統(tǒng)不同之處在于其向?qū)Я捎蓱腋〈朋w自動產(chǎn)生，也就是說當(dāng)列車偏離軌道中心時，電磁鐵會與軌道錯開，產(chǎn)生的水平恢復(fù)力可將列車拉回中心。綜合比較可知雖然HSST導(dǎo)向系統(tǒng)具有簡單、節(jié)能等優(yōu)點，但是由于在該系統(tǒng)下產(chǎn)生的導(dǎo)向力不大，因此不能用于高速運行。 高溫超導(dǎo)磁浮列車 這種磁浮列車的磁浮原理采取了超導(dǎo)體的抗磁性，即將某極性（例如N極）向上的磁體鋪于路軌，同時由于用液氮(77K)浸沒而處于超導(dǎo)態(tài)的高溫超導(dǎo)體YBCO(YBa2Cu3O7-x)置于列車底部，這時路軌磁體在超導(dǎo)體中的感生永久電流與路軌磁場相斥而產(chǎn)生懸浮力。然而YBCO并非理想的第二類超導(dǎo)體，因為一部分磁通會進入超導(dǎo)體并被“釘扎”于超導(dǎo)體中，在行進過程中當(dāng)列車偏離中心時，釘扎力會使列車復(fù)位。同時在該系統(tǒng)下的推進系統(tǒng)采取的是直線同步電機推進。
