大学物理课外实践项目 磁浮陀螺 寇明林.doc

磁浮陀螺姓 名： 寇明林 班 级： 材料成型及控制工程一班 指 导 教 师： 王小平 二O一O年十一月一日磁浮陀螺一 前言记得小的时候我发现了一个很奇特的现象，就是一个有缺口的磁铁在铁上面会自动向前走，我就在想如果我能把火车的轮子换成是磁铁的，然后把磁铁的一部分扇形拿其他材料来填充的话是不是火车就可以不用其他的动力了呢？当然随着我知识水平的慢慢提高，我知道这是不可能的，完全的违背了能量守恒定律，尽管是空欢喜了一场，但从此以后，我对磁学产生了浓厚的兴趣，看到这个项目和磁学有关，就满心欢喜的接了下来。近几年磁浮列车的发展很迅速，上海就建了世界第一条磁悬浮列车示范运营线上海磁悬浮列车，从浦东龙阳路站到浦东国际机场，三十多公里只需8分钟。磁悬浮列车具有快速、低耗、环保、安全等优点，因此前景十分广阔。常导磁悬浮列车可达400至500公里小时，超导磁悬浮列车可达500至600公里小时。它的高速度使其在1000至1500公里之间的旅行距离中比乘坐飞机更优越。由于没有轮子、无摩擦等因素，它比目前最先进的高速火车省电30%。在500公里/小时速度下，每座位公里的能耗仅为飞机的13至12，比汽车也少耗能30%。因无轮轨接触，震动小、舒适性好，对车辆和路轨的维修费用也大大减少。磁悬浮列车在运行时不与轨道发生摩擦，发出的噪音很低。它的磁场强度非常低，与地球磁场相当，远低于家用电器。由于采用电力驱动，避免了烧煤烧油给沿途带来的污染。磁悬浮列车一般以4.5米以上的高架通过平地或翻越山丘，从而避免了开山挖沟对生态环境造成的破坏。磁悬浮列车在路轨上运行，按飞机的防火标准实行配置。它的车厢下端像伸出了两排弯曲的胳膊，将路轨紧紧搂住，绝对不可能出轨。列车运行的动力来自固定在路轨两侧的电磁流，同一区域内的电磁流强度相同，不可能出现几辆列车速度不同或相向而动的现象，从而排除了列车追尾或相撞的可能。 目前存在的技术问题 尽管磁悬浮列车技术有上述的许多优点，但仍然存在一些不足：当然因为处于一个发展阶段，也有很多问题，1.磁悬浮有一大缺点，它的车厢不能变轨，不像轨道列车可以从一条铁轨借助道岔进入另一铁轨。这样一来，如果是两条轨道双向通行，一条轨道上的列车只能从一个起点驶向终点，到终点后，原路返回。而不像轨道列车可以换轨到另一轨道返回。因此，一条轨道只能容纳一列列车往返运行，造成浪费。磁悬浮轨道越长，使用效率越低。 2.由于磁悬浮系统是凭借电磁力来进行悬浮，导向和驱动功能的，一旦断电，磁悬浮列车将发生严重的安全事故，因此断电后磁悬浮的安全保障措施仍然没有得到完全解决。 3.强磁场对人的健康，生态环境的平衡与电子产品的运行都会产生不良影响。也面临着一些困难。磁悬浮列车虽然具有这么多的好处，但到目前为止，世界上只有上海浦东磁悬浮铁路真正投入商业运营。尽管日本和德国已经有了实验路线，尽管2005年上海浦东机场到市区30公里长的线路将投入正式运营，但磁悬浮列车要想如同现今的普通轮轨式铁路那般，成为民众日常交通工具，似乎还遥遥无期。那么，究竟是什么原因呢？ 首先是安全方面。由于磁悬浮系统必须辅之以电磁力完成悬浮、导向和驱动，因此在断电情况下列车的安全就不能不是一个要考虑的问题。此外，在高速状态下运行时，列车的稳定性和可靠性也需要长期的实际检验。还有，则是建造时的技术难题。由于列车在运行时需要以特定高度悬浮，因此对线路的平整度、路基下沉量等的要求都很高。而且，如何避免强磁场对人体及环境的影响也一定要考虑到。 参加修建上海磁悬浮快速列车的电力专家介绍，敷设在磁浮工程全线的电缆，是德国进口的一种普通铝芯制高压电缆，受电后将产生20KV高压。专家提醒有关部门，要注意工程沿线周围施工安全，并加强对沿线电缆的保护力度，以防止意外事故发生。 即便有解决以上技术难题的手段，但是又牵涉到另外一个问题钱。上海段约30公里的线路设计投资为380亿元人民币，而德国的两条线路，一条36.8公里长，将耗资约亿欧元；另一条长度78.9公里，则将耗资32亿欧元（欧元约等于10元人民币）。实际施工中，根据地形、路面及设计运送能力的不同，当然造价也会相差较大。但无论如何，一公里的路线至少需要3亿元人民币的投资，也就是说，1厘米线路就得花上3000元！参考文献来自上海磁浮官方网站。【关键词】 磁浮陀螺；磁悬浮列车；陀螺 ；磁悬浮二、原理介绍（一） 原理分析：飞碟（即陀螺）悬浮时受平衡力作用合力为零，表达式GF0，即F与G大小相等，方向相反，在同一条直线上。另外还涉及空气涡流阻力，能量守恒原理，地球磁场，万有引力，陀螺定轴性原理等。（二） 操作原理：飞碟悬浮点所受磁场力F为定值，G的大小通过调整片相应增减，使GG1G2（G1为飞碟自重，G2为重力调整片重量。）在你领会了磁浮飞碟的物理原理后，通过精心演练，就可以达到飞碟无需电力、没有支点、反重力飞浮的神奇世界。（三）场所选定：磁浮飞碟必须放置在平稳的台面上，周围不能放置有铁磁性反应的物体。（四）操作指南：1 将底盘放在水平且平稳的台面上，底盘周围应没有干扰磁场的物体，将透明托板放在底盘上面，对准两者中心位置。2 用一只手的母指和食指紧握飞碟的旋转手柄，将飞碟的下端轻压在透明板的中心位置，保持飞碟和底盘的垂直度，以一个很快速度的爆发力快速旋转飞碟手柄，使飞碟在透明板的中心位置稳定快速的旋转。（旋转步骤有一定的难度，应耐心反复的练习才能熟练掌握飞碟旋转技巧。）3 飞碟在透明板的中心位置达到稳定快速旋转以后，用双手缓慢的将透明板住上提升，使飞碟慢慢的离开底盘，当透明板达到一个适当的高度时，并在飞碟向下的重力和磁场向上的排拆力大致相等时，飞碟就会自动脱离透明板悬在空中旋转，此时就可以将透明板移走。4 调节飞碟的重量，在进行第三步的操作时，飞碟的重量一定要调节正确。操作过程中，飞碟的重量太轻时，在透明板住上提升的过程中，由于磁场的排拆力大于飞碟的重力，飞碟会很快的弹离透明板，脱离中心位置而无法达到稳定的悬浮状态。飞碟的重量偏重时，在透明板住上提升的过程中，由于飞碟的重力大于磁场的排拆力，飞碟会在透明板上旋转打滑，无法自动脱离透明板，达到稳定的悬浮状态。因此调节每次调节飞碟的重量时，要利用大小二种规格的铜质（或不锈钢材料）配重片和大中小三种规格的塑料配重片，经巧妙组合来达到使飞碟重量和磁场排斥力相等。5 调节底盘的角度，飞碟在悬浮操作过程中，飞碟往哪个方向偏离就用三角形角度调节板往这个方向适当垫高底盘。通过底盘角度的调节，可使飞碟的重力和磁场的排斥力在同一条垂直线上。掌握了飞碟旋转，重量调节，底盘角度调整的技巧后，即可进入神奇的反重力悬浮世界，首先将托片放在底盘上，在其中心位置旋转飞碟，利用透明托板将飞碟缓慢抬高至离底盘约34cm高度，飞碟将自动脱离透明托板向上飞浮到平衡点，此时移开托板飞碟反重力悬浮宣告成功。三、方案设计（一）参考方案(1) 以一方形磁铁为底座，圆形磁体为陀螺。在实验的前期查找了一些资料，在网上购买了磁浮陀螺，按照上面的操作规格进行了相关的操作，但是效果不是很理想，我们首先想到的问题是它的磁场不均衡，然后我们用特斯拉计对磁场进行测量，最强处的磁场大致是50Mt,发现它周围的磁场很不均匀，然后就对怎么样产生均匀的磁场进行了思考，也查了大量的资料，在老师的建议和自己查资料和思考的结果下采取如下改进方案。（二）改进的方案1 用两个圆环形永磁性磁铁，以大磁铁为底座，小磁铁为陀螺，由于是圆的，它的周围磁场比较均匀。2 以一通电螺线管为底座，圆形磁铁为陀螺。电磁体较永磁体产生的磁场更均匀，稳定。图1.我们购买的环形永磁铁和自己制作的陀螺图2.我们自行制作的用于产生磁力的电磁体四、实验制作（一） 一比较大一点的方形磁体，陀螺是一磁性的陀螺，设计的时候尽量可以使其在水平面上，使磁场尽量平衡。为了配合方案三。 （二） 买一个底座很大的环形磁铁和一个小型的圆环形磁铁，底部磁铁可以不需要再加工，加工小型磁铁，先加工一个刚好能塞进磁铁的木棒，在底部加上一个螺丝，木棒尽量平衡一点，可以使其转动起来的时候可以更加平稳。（三） 用一个螺线管代替永磁体，陀螺用方案一中的磁体即可，可惜由于材料的限制，我的实验很不成功，没能产生足够强度的场强，此项在改进中，可以在演示的时候完成。五、演示验证在很长时间的努力下，我们的陀螺可以坚持一段时间了，但调节磁场的水平是一个相当复杂和漫长的过程。我们拍了一些视频和照片，在演示的时候会现场演示或提供我们自拍的视频和照片。六、总结磁场的稳定和陀螺旋转的稳定是磁浮陀螺在空中旋转的关键，还有就是陀螺的重量也是一个很重要的因素，旋转的时候陀螺要有相当大的初速度,转动惯量越大陀螺会越稳定.一个简单的实验考验了我们很多方面的能力测试平衡协调能力，快速寻找磁场中心位置并旋转。考验耐心和毅力，精确调节磁场平衡和飞碟重量检验动手操作能力，更平稳更快速的旋转飞碟并使之进入飞浮状态。七、收获与建议刚接到这个课题的时候，我满心欢喜，因为我一直对神秘的磁学有着浓烈的兴趣，对这个课题的第一感觉就是很简单，我之前上网查了这方面的资料，了解了它的原理，发现原理真的很简单，就是陀螺悬浮时受平衡力作用合力为零，GF0，即F与G大小相等，方向相反，在同一条直线上，然后旋转产生一个转动惯量，使之平衡旋转就好了，但当我在具体实验的过程中我发现很多东西看起来很简单，其实实施起来真的没有那么简单，一直以来的眼高手低使我遭受了一个很大的挫折，怎么转也转不起来，因为我感觉它的原理很简单，我试验了很长时间都没能成功，我认为可能是这个是生产的时候没有把磁场弄均用，后来没办法我就求助于我的指导老师王小平教授，在数次实验失败后老师告诉我改变下转动的顺序，把陀螺从下面转起来，刚开始，陀螺直接转不起来，我就对老师说老师这种转法应该不对吧，应该是从上面转起来，然后放到它的磁场中的，这样的话才可能能悬浮起来，然后我就一遍一遍地试，结果还是失败了，通过在一遍一遍的实验之后得出结论,的确是先从下面使陀螺转起来然后再慢慢向上移动最后达到真正的悬浮，成功率远比我想象的从上面转起来然后慢慢向下移动最后悬浮的成功率要高，在这里我意识到了一个问题，科学是不能跟着感觉走的，要有实际的现象和理论才可以。在我和老师的共同努力下，它终于能勉强的转起来了，可是坚持的时间不是很长，我和老师一遍一遍的实验，调整一下它的水平方向，就这样慢慢找它的最稳的点，可是效果很不理想。我们就在寻找原因，我们发现当把陀螺移动到空中时，它会不自主的向一个方向偏离，我们通过调解磁场的水平来控制但效果不是很明显，这时老师告诉我这是磁场不均匀的表现，然后我们就开始思考怎么可以产生均匀的磁场，老师说用电磁场来代替原来的永磁体，在这里我提出了另一个可行方案即用一个环形的永磁体代替原来方形的永磁体，因为我们现在实验用的永磁体是方形的，所以它的磁场肯定不会均匀，如果我们把永磁体换成环形的，那么磁场不就会均匀了，最后就决定用这两种方法都试试，后来我又买了两个环形的磁铁（一大一小）和漆包线，按照自己的和老师的想法做起来，也取得了比较好的结果，还在继续的测量和改进中。这次物理实践活动虽然没有研究出什么很高深的科学，没有创作出新的东西，但使我学习了很多东西，也磨去了以前我的一些眼高手低的坏毛病，懂得了科学实验的严谨性和坚持不懈精神的重要性。八、致谢在这里首先感谢我的指导老师王教授，他总是不厌其烦的回答我一个个很幼稚的问题（因为我在磁学这方面的专业知识知道的很少），和我一遍一遍重复着同一个实验，同一个步骤，时时关心着项目的进展状况，为我提了很多建议，也和我分享很多他的人生经历和一些经验教训，他对研究刻苦钻研和不轻易放弃的精神深深打动着了我，和这些从中国苦难时代走来的人的身上我看到了很多我们所不具备的品质，记得看过一部电视剧上面有个日本女人说过一句话：中国的这一代是坏掉的一代，这句话虽然不是百分之百得正确，但是也说明了一个很严重的问题，中