9 中学生科学竞赛项目一等奖作品集(高中组)

示意图该项目具体应用了物理科学方法。1．查资料发现因司机开门不注意，发生意外的路人很多。2.寻找传输仪器：他的类型主要有（反射传输器，光纤传输器，数据传输器，等等）其中反射传输器是通过倒车镜反射车后物体的从在，然后向指定仪器传输他相应的信息，或指令。3.设计车门控制系统:主要有反射传输器，传输线路，车门控制器和控制开关组成。基本思路是在左倒车镜上安装一个反射传输仪，如果有一个自行车要经过，反射传输器就会将获取的信息传输到安装在车门里的控制器上，从而控制车门，司机就打不开车门，将不会发生意外的事故了。基本原理是反射传输器通过传输线路将反射到的信息传输到车门控制器上，然后闭合开关，从而控制车门。等车旁没有人经过时，车门控制器会自动释放指令，车门就可以打开了。这个车门控制器具有安全性强，从线路上来看实用性强，从反应速度来看高保障，整个系统的组成是用体积小的芯片和简短的线路组成，所以它外观小，质量轻，容易改造。它的能量来源是汽车的发动机，此外还可以用太阳能板来提供能量等等。我的进一步设想是，用倒车镜上的镜片把反射器替代掉，这样会美观一些。这个项目可以给我国的交通，提供安全保障，让人们在路上更加的安全，有力的推动了我国交通安全的发展。能飞的小车模型—高温超导磁悬浮研究兰州市第三十三中学赵之豪指导教师马正弟摘要：基于高温超导体和永久磁体的磁悬浮技术是一项具有广阔应用前景的新研究领域，有可能是未来新型轨道交通发展的技术路线之一。通过一系列的实验研究，了解和认识了高温超导体（钇－钡－铜－氧系材料YBCO)、钕铁硼永久磁体的基本性能和磁悬浮技术的基本原理。并在此基础上利用塑料泡沫材料和高温超导块材制作了适于磁悬浮实验的小车模型以及钕铁硼永久磁铁轨道，小车模型在永磁轨道上成功实现了磁悬浮和稳定平衡行驶，表明利用永磁轨道和高温超导块材研制载人磁悬浮车在原理上是可行的。实验研究还表明永磁轨道本身产生的磁感应强度在垂直方向较大的梯度以及在轨道表面和同一高度上沿纵向、横向的均匀性是磁悬浮小车平衡稳定行驶的必要条件。实验发现并证实对极排列设计的永磁体结构和永磁轨道可以有效增强中心区域的磁感应强度和磁场梯度，从而可以提升磁悬浮高度。关键词：高温超导体永久磁体磁悬浮小车模型问题的提出：今年春节期间，我们全家去了上海旅游。我早就知道上海有磁悬浮列车，所以一到上海，我就吵嚷着要坐磁悬浮列车。在上海的最后一天要从浦东机场回兰州，爸爸答应我坐磁悬浮列车到机场。我们终于乘上了磁悬浮列车，列车看上去真漂亮，车厢里干净、整洁、舒适，很快列车就缓缓地启动了，还能感觉到车体慢慢地浮起来，我还没有反应过来时，列车已风驰电掣地冲出去了，几乎是眨眼间就看到车厢门框上方电子显示屏上车速已达到251km/h,而且每一秒钟都在快速地提升，很快就到341km/h,又回到340km/h,如此反复，高速运行着，车速又逐渐提高到380km/h,最高到431km/h,太刺激、太神奇了！我还沉浸在这极速的兴奋中，列车就到浦东机场了，时间太短了，只有7分多种。我当时想如果磁悬浮列车票价要是便宜一些多好，我就可以多坐几个来回充分体验极速的感觉。当兴奋的心情平静下来时，我脑海中马上浮现出一堆问题：如此巨大的列车是如何神奇地悬浮起来且高速奔驰？什么是磁悬浮？是否像传说中所说依靠巨大的磁场把列车托起来？为什么悬浮的列车那么平稳？磁悬浮列车太巨大，能否缩小成像汽车那么小？大家就可以开着磁悬浮小车上特殊的高速公路，以400km/h的速度开车，从兰州到北京只需三个多小时，那一定很爽！如果有这样的磁悬浮车研制成功，燃烧汽油的汽车就可以大幅度减少，既可降低污染，又可节省能源，应用前景和意义一定巨大！带着这些疑问，我查阅了一些资料，并怀着一种忐忑的心情，来到曾经参观过的兰州重离子加速器国家实验室，向专门从事磁铁和磁场研究的专家进行了细致的询问和请教。根据查阅的资料和专家介绍,磁悬浮列车实际上是依靠电磁吸力或斥力将列车车厢托起悬浮于空中并进行导向,实现列车与地面轨道间的无机械接触,从根本上克服了一般列车轮子与轨道之间的机械噪声和摩擦力等问题,在离轨道10mm或100mm的高度快速飞行。目前磁悬浮列车的发展方向是利用磁铁同性相斥原理而设计的,它利用车上超导磁铁形成的磁场与轨道上线圈形成的磁场之间所产生的斥力,使车体悬浮运行,这种磁悬浮列车的悬浮气隙较大,一般为100mm左右,列车速度比较高,可达每小时500千米以上。这种磁悬浮列车采用超导磁铁技术,而我们知道超导磁铁是利用低温超导线圈产生磁场的,而超导线圈必须浸泡在液氦容器中，常年工作在4K即零下约270度的低温条件下,氦气资源极度贫乏,为此必须建起一套复杂的回收装置以便将液氦回收循环使用,而且超导磁铁技术非常复杂,因此运行成本大,很不利于推广。目前全世界的科学家和工程师都在寻求新的技术途径，发展全新技术的磁悬浮列车，而我本人一直对这个问题很感兴趣。曾经一次看电视时，报道说我国最近几年在铁基高温超导材料方面的研究获得突破性进展，并领先于世界同行，这项研究还获得国内的大奖。什么是高温超导材料？目前世界上是否还存在常温下的超导材料？既然低温超导磁铁要用大量的液氦，工作在极低温度下，成本太高，如果有常温下的超导材料，这种材料能否应用于磁悬浮列车？我立即上网查阅资料，发现目前还没有常温下的超导材料，所谓的高温超导材料，是相对低温超导材料而言。即使是高温超导材料，也只能工作在几十K的温度，但可采用液氮冷却，而液氮要比液氦便宜得多。我们周围空气中到处都是氮气，所以我想用液氮冷却的高温超导材料如果能用于磁悬浮列车，运行成本一定会大幅度下降。在思考这些问题中，我联想到小时候曾经玩过吸铁石，只记得吸铁石一靠近铁钉，铁钉立即“飞”到吸铁石表面上，吸铁石之间有些是相吸的，有些是相斥的。爸爸曾告诉我吸铁石就是永久磁铁，是由一种“稀土”材料做成的，一旦带上磁性，磁性就“永久”保留，所以叫永久磁铁。我国稀土材料是世界上最丰富的，储量世界最多。由此我突生灵感，不禁联想到，能否用永久磁铁做成磁悬浮列车的车轨？而用高温超导材料做磁悬浮列车的底盘，这样只要两者的磁极性相反，就可产生排斥力，如果排斥力足够大，就能把列车车厢托起来实现悬浮！如果这个想法能实现，磁悬浮列车的成本肯定可以大幅度降低！关键是永久磁铁能否让高温超导磁体悬浮到足够的高度？因此，在兰州重离子加速器国家实验室老师和我们物理老师的指导帮助下，我开展了对高温超导体和永久磁体的性能实验研究，进行了利用永久磁体和高温超导块材而产生的磁悬浮实验和分析，并与老师们一起制作了永久磁铁组成的小轨道，开展了高温超导永磁磁悬浮小车模型实验，的确发现永久磁铁可以把高温超导块材悬浮起来，由高温超导块材制作的小车模型可以在永久磁铁组成的车轨上“悬浮飞行”。引言现代社会由于人口的急速膨胀伴随着城市化的大规模推进，特别是家用轿车的快速普及加速了人口流动，加剧了交通状况的恶化,并产生了一系列社会问题，如交通安全事故,环境污染,能源危机等。为了缓解这些问题,各国的科学家和工程师都在研制新型的交通工具，以改变目前交通运输状况,因此磁悬浮列车和磁悬浮载人车运用而生。专家指出，磁悬浮列车具有高效、安全、快捷、舒适、经济、环保等优点。磁悬浮列车实际上是依靠电磁场特有的“同性相斥、异性相吸”的特性，利用电磁力来抵消车厢自身的重力，将车厢托起悬浮于空中并进行导向,实现列车与地面轨道间的无机械接触,在离轨道10－150mm的高度快速飞行。磁悬浮列车利用车上超导磁铁形成的磁场与轨道上线圈形成的磁场之间所产生的斥力,使车体悬浮运行。由于采用液氦制冷的低温超导磁体技术，这种磁悬浮列车技术复杂，运行成本高昂，不利于运行和推广，必须寻求新的磁悬浮技术途径。通过查阅资料并请教专家，我发现自从1986年高温超导体发现以来，在过去的二十多年里高温超导体发展突飞猛进，各种高温超导材料的工作温度已达到50－90K。更让我惊喜的是，早在1988年科学家就发现了高温超导体能够稳定地悬浮在永久磁体上，这一现象已经引起科学家们的广泛关注，并孕育了一个新的研究领域－高温超导磁悬浮。高温超导磁悬浮是一种能够自行调节相对稳定的悬浮方式，通常是高温超导块材在永久磁体提供的外场中实现稳定悬浮，是利用永久磁体与高温超导体内部产生的感应电流相互作用产生的排斥力以保证垂直方向上的悬浮稳定性。因此，高温超导体本身的性能和永久磁体提供的外磁场分布及强弱是决定超导磁悬浮系统性能的关键因素。对于给定的高温超导体,磁悬浮性能直接依赖于外磁场的分布及强弱。高温超导磁悬浮具有稳定、节能、环保的特点，被认为是21世纪最具开发潜力和前景的轨道交通技术之一。查阅的资料表明，最引人嘱目的是我国西南交通大学已于2000年成功研制了世界首辆载人高温超导磁悬浮实验车“世纪号”，这越发激起我对高温超导磁悬浮技术的浓厚兴趣。在走访磁体专家，并征得我们物理老师的支持后，我决定对超导磁悬浮现象作进一步探索。在得到中国科学院近代物理研究所重离子加速器国家实验室的同意和支持下，我按照老师的指导和帮助，开始了实验方案的设计、材料和仪器的准备，并通过在实验室进行多次实验、数据分析、问题讨论和论文撰写等过程，开展了高温超导磁悬浮小车模型的实验研究。实验分为四部分：第一部分通过实验了解高温超导电性的原理和高温超导体的性能，包括超导态电阻特性等。第二部分通过实验了解永久磁铁的性能，包括测量不同结构和组合的永久磁体磁感应强度和分布。第三部分进行高温超导永磁体悬浮实验。第四部分进行高温超导磁悬浮小车模型在永磁轨道上“悬浮飞行”实验。高温超导块材的超导性能实验与分析第一步进行的是高温超导材料的性能实验。通过测量高温超导材料的零电阻特性，我清楚地认识了超导体从正常态转变为超导体的过程。实验所用的仪器和材料都由中国科学院近代物理研究所提供，并在该研究所的磁体研究实验室进行，如图1所示。图1.高温超导材料零电阻实验测试及所用实验仪器2.1实验原理1911年，荷兰科学家卡末林一昂内斯(Kamerlingh一Onnes)用液态氦将汞冷却到4.15K的低温时，汞的电阻陡降为零，这种现象称为超导电性，具有这种性质的材料称为超导体。在外磁场为零的条件下，超导体由正常态过渡到超导态的那个转变温度叫做这个超导体的临界温度。除了临界温度，还有临界磁场和临界电流两个参数制约着超导体的性能，即当超导体的磁场或者电流超过其临界值时，超导电性会发生破坏。科学家发现，如果把超导材料放在磁场中冷却，当材料进入超导态时，磁感应线将从超导体中排出，超导体内磁场强度总是等于零，这种现象称为超导体的抗磁性。超导电性和抗磁性是超导体的两个重要特性。超导体零电阻现象可以理解为，一旦物体在极低温度下变为超导体后，物体中自由电子开始凝结成性质非常不同的超导电子，它在物体的晶格点阵中行动完全自由，可以自由穿梭，而受到的阻力几乎为零，随着温度降低，越来越多的自由电子转变成为超导电子，从而实现零电阻现象。就好像在一个大广场中有很多人，大家随便走动，如果我要穿过广场，肯定阻力比较大，不容易穿越，而如果随便走动的人都静止不动了，我穿越广场阻力就很小了，“我”就是超导电子，而“静止不动的人群”就是物体的晶格点阵，这个比喻虽然不很严格，但比较容易理解。根据临界温度的不同，超导体可分为低温超导体和高温超导体。高温超导体是指临界温度在30K以上的超导材料。有一种高温超导材料，如钇－钡－铜－氧系材料(YBCO)，这类高温超导体具有很特殊的性能，具有不可逆的磁化曲线，在外磁场作用之后具有一定的剩余磁场，好像变成永久磁体了。本次实验主要目的是实验测量高温超导材料钇－钡－铜－氧系材料(YBCO)的零电阻特性，并实验超导体从正常态转变为超导体的过程。高温超导材料YBCO的电阻值采用四线法测量，并计划在测量电阻值的同时对温度进行监控，总电路图如图2所示，测量仪器如图1所示。高温超导材料YBCO样品放置在一个小型的低温“恒温器”中，两端分别焊接两块薄铜片以连接两根导线，这两根导线再接到一个直流电源上，对高温超导材料样品通入较低的电流，另外两根线两端接电压表，另外两端分别焊接在超导材料样品上（实际上超导材料是嵌入在不锈钢皮中，焊接时一定去除焊接点处的不锈钢皮）以直接测量高温超导体样品两端的电压值，在高温超导体样品的表面贴上一块温度传感器，用于对样品的温度进行监测，所以，有四根线测量电流电压，叫“四线法测量”，根据欧姆定律，即可得样品电阻，测量样品和测量线连接如图3所示。由于氧化物高温超导材料样品的室温电阻通常只有几个到几十个毫欧姆，为了减少漏热，被测样品的电引线很细、很长，而且测量的“恒温器”内温度变化很大，大约从200K到77K，这样引线电阻较大而且不稳定，引线与样品的连接也不可避免出现接触电阻。图2高温超导材料样品电阻实验测试总电路图图3高温超导材料样品及四线法测量电阻连线2.2实验材料、仪器和实验操作步骤实验材料：本实验采用的高温超导材料样品是镍基钇－钡－铜－氧系材料(YBCO)，临界温度为92K。冷却高温超导材料的制冷剂是液氮。测量线是细铜导线。实验仪器：本实验所用的直流电源是KEITHLEY6221直流横流源，实验用电压表是KEITHLEY2182A纳伏表，低温“恒温器”是一个有金属外壳的“暖水瓶”，该“恒温器”内盛有液氮，所用仪器如图1所示。由于没有找到合适的温度传感器，很遗憾本次实验没有对超导材料样品的温度进行监测。实验步骤及实验现象：按图2和图3所示连接高温超导材料样品、电源和电压表,并仔细检查所有连接线。高温超导材料样品直接放在测试台上，处于室温。插入KEITHLEY6221直流恒流源和2182A纳伏表电源插座，开启他们的电源“Poweron”。选择纳伏表测量范围为自动测量“AUTO”。慢慢调节恒流源电流旋钮，使恒流源输出电流为100mA，电流表显示“100.00mA”，这时流过高温超导材料样品的电流即为100mA。同时可看到纳伏表显示出测量的样品两端电压值随电流增加而增长，对应100mA时纳伏表显示所测电压为0.706611mV。根据欧姆定律可计算出测量的电阻为7.066mΩ，这是该高温超导材料样品室温时的电阻值。把高温超导材料样品及其部分接线缓慢放入开口的低温“恒温器”内，由于“恒温器”底部盛有液氮，其上半部分充满冷氮气，在冷氮气的冷却下，样品温度由室温开始降低，相应地纳伏表显示的测量电压从0.706611mV开始随之降低，随着温度越来越低，测量显示的电压值也越来越小，当高温超导材料样品最终浸入液氮中时，纳伏表显示的电压值曾瞬间达到0.00001mV或“0”mV（电压表变化太快，没有看到全部为“0”的显示）,即瞬间出现“零电阻”现象，从此时开始即出现“超导态”。因温度突变，几乎是一瞬间，纳伏表即显示为负电压值，且负电压值逐渐增加。把样品从液氮中取出，缓慢从低温“恒温器”中拿出来，放在室温测试台，样品温度逐渐上升，测量显示的电压逐渐增加，并从负值跳过“零”变成正值，开始缓慢增加，最终纳伏表显示测量的电压值回到0.6949mV,表明样品温度从液氮温区（77K）逐渐回到室温。视频1记录了样品温度从室温降低到液氮温区，再从液氮温区升到室温时纳伏表所显示的电压值变化全过程。2.3实验结果与分析按照上述的实验步骤，测量出高温超导材料样品室温下的电阻为7.066mΩ。通过实验，当高温超导材料样品温度由室温降到液氮温区,再由液氮温区升到室温，实验测量了温度变化全过程的电阻值，“看到”高温超导材料的“零”电阻现象，清楚地认识了高温超导材料随温度变化从正常态到超导态，再从超导态到正常态的演变过程及其电阻特性。高温超导材料样品进入超导态后，出现了“负电压”或“负电阻”现象，老师解释说可能是由于热电势引起的，我没有完全懂，还需进一步理解。由于没有找到合适的温度传感器，所以不能给出被测样品电阻随温度的变化曲线，也不能测临界温度。三、永久磁体性能实验研究和分析第二步进行的是永久磁体性能实验。主要研究永久磁体钕铁硼NdFeB的磁性能，测量不同磁化方向和不同结构永久磁体的磁感应强度。实验所用的钕铁硼永久磁体和测量仪器由中国科学院近代物理研究所提供，实验是在该研究所的磁体研究实验室进行的。3.1实验原理有一种材料在外加磁场的作用下，会被“磁化”，当外加磁场去掉后仍然保留较强的剩余磁感应强度，这种材料就是我们通常所说的永久磁铁。永久磁铁剩余磁感应强度的大小是由材料本身的性能决定的，最常用的永久磁体即是钕铁硼(NdFeB)。每一块永久磁体都有磁化方向，不同磁化方向的永久磁体组合在一起，可以增强其磁场，也可以减弱其磁场。磁场的测量一般是利用高斯计。高斯计是利用霍耳效应的原理测量磁场的。将一种导电板放在垂直于它的磁场中，当有电流通过这个导电板时，在导电板的两侧会产生电压或电势差，这种现象即是霍耳效应。实验表明，在磁场不是非常强的情况下，产生的电压或电势差与通过它的电流和垂直于它的磁感应强度成正比，高斯计测量磁场正是利用了这一点。磁场测量用的这种导电板叫霍尔片，霍尔片受外界温度的影响比较大。本实验设计了三种结构的永久磁铁，如图4所示，图中箭头的方向表示永久磁铁的磁化方向，实验是用高斯计测量图4中A、B、C三种结构的磁感应强度分布，认识永久磁铁的性能，并为后续的磁悬浮实验打好基础。图4三种结构的钕铁硼永久磁体3.2实验材料、仪器实验材料和仪器：本实验用的永久磁体是具有三种结构的钕铁硼材料，并由特殊的胶粘结在一起，如图4所示，磁体A是由两块磁化方向垂直向上的圆柱型磁块粘结而成，磁体圆柱直径48mm，高16mm。磁体B是由两块磁化方向相对的长方体型磁块粘结而成，之间是一块铁磁材料，磁体长70mm，宽65mm，高55mm。磁体C是由两块磁化方向相对的长方体型磁块粘结而成，为提高磁场强度和磁场梯度，之间放置一块磁化方向垂直向上的永久磁体，整个磁体长70mm,宽65mm，高55mm。测磁的高斯计是Lakeshore410型，如图5所示。图5.高斯计Lakeshore4103.3实验操作步骤：实验主要是用高斯计测量三种结构永磁体磁极表面的磁感应强度分布。由于这三块磁体磁感应强度较大，实验测量时这三块磁体不能靠近，要分别放在相互较远的测试台上，而且测试台及其周围要没有铁磁物品。分别在这三块磁体的磁极表面上用塑料直尺画出刻度线和测量点。磁体A是圆柱形，磁极面是圆形的，用彩色笔在磁极面上先画一条通过圆心的直线，从圆柱的最边沿，沿该直线每8mm标记一个测量点，共7个测量点（包括最边缘的两个点）。磁体B和C是长方体，磁基面是长方形，用彩色笔在磁极面沿长度方向（y方向）画一条中心线，该中心线是长方形沿长度方向的对称线，在中心线上每10mm标记一个测量点，共8个点，所以磁体B和C沿长度方向分别有10个测量点。在磁极面沿宽度方向（x方向）画一条中心线，该中心线是长方形沿宽度方向的对称线，在中心线上每5mm标记一个测量点，共14个点，所以磁体B和C沿宽度方向分别有14个测量点。用高斯计Lakeshore410测量磁极面每个测量点的磁感应强度。选择测量横向磁场的专用霍尔探头，插入高斯计探头插口，启动电源（Poweron），并选择横向测量探头。把霍尔探头慢慢紧贴在磁体A被测磁极面上，确保探头上的“红色圆点”与磁极面上的被测点完全重合，才能读取高斯计显示的磁感应强度值，这样逐点测量，并记录测量值。还测量了磁体A垂直于磁极面沿圆心点向上的磁感应强度分布，用一个塑料直角三角尺，直角尺垂直于磁极面直立，直角点与圆心重合，沿带有刻度的直边，每5mm取一测量点，共7个测量点，高度30mm范围，测量每个测量点的磁感应强度，记录测量值，即可得到磁体A垂直于磁极面沿圆心点向上30mm范围的磁场分布，由于没有做特定的测量工装，测量用一个直角尺做参考，精度不是很高。用高斯计分别测量磁体B和C在磁极面上的磁感应强度沿长度方向和宽度方向的分布，并测量磁体B和C磁极面中心垂直向上30mm范围磁感应强度分布。测量步骤和方法与磁体A类似。3.4实验结果与分析（1）永久磁体A在磁极面上沿直径方向测量得到的磁感应强度分布如图6所示，沿中心轴线垂直于磁极面从中心至30mm高度的磁感应强度分布如图7所示。可看出圆柱形磁体A沿直径方向的场分布基本上是均匀的，中心稍低，沿大半径方向稍高，而垂直于磁极面沿中心轴线从磁极面向上，离开磁极面的高度越大，磁场越小，变化梯度是比较大的。磁体A磁极面中心的磁感应强度为3700高斯。图6.磁体A在磁极面上沿直径方向图7.磁体A垂直于磁极面从中心至磁感应强度分布30mm高度的磁感应强度分布（2）磁体B和C在磁极面上沿长度方向（y）的磁感应强度分布如图8所示，沿宽度方向（x）的磁感应强度分布如图9所示，从磁极面中心垂直向上30mm范围内磁感应强度分布如图10所示。图8.磁体B和C在磁极面上沿长度方图9.磁体B和C在磁极面上沿宽度方向（y）的磁感应强度分布向（x）的磁感应强度分布图10.磁体B和C垂直于磁极面从中心至30mm高度的磁感应强度分布（3）从图8与图9及磁体B与磁体C比较可看出，二者在磁极面中心沿长度方向（y方向）的磁感应强度分布在中间区域比较均匀，沿两端磁场有一定的下降，梯度不十分大。但沿宽度方向（x方向）的磁感应强度分布完全不同，中心区域磁场非常集中，且磁感应强度很大，而沿中心区域向外，磁场衰减非常快，在离边缘约10mm范围内，磁场方向转变，即出现负值，就是磁场方向由N极方向转变为S极方向，反方向的磁感应强度也相对很大！这很有意思！据分析，原因是因为磁体B和C主要由两块磁极相对的永磁体粘接而成，这种结构致使中心区域磁力线非常集中，中心区磁场很强，而两端反方向的磁场很强，沿磁化方向的磁场梯度变化很大。（4）更有趣的是，发现图9中磁体B与磁体C相比，在中心区磁感应强度分布有一个“坑”，而且总体上说，磁体C比磁体B在中心区域的磁感应强度要明显高很多，几乎相差2倍。如果比较图4中磁体B和磁体C的结构，就会发现磁体C两块磁极相对的中间是一块磁化方向向上的永久磁铁，而磁体B两块磁极相对的中间只是一块铁磁材料，这样的结构使磁体C中心区域磁力线更集中，磁场更强，而磁体B在中心的磁场会减弱。（5）从图10可看出，对磁体B和C，垂直于磁极面沿中心轴线从磁极面向上，离开磁极面的高度越大，磁场衰减越快，磁场变化梯度非常大。磁体B在磁极面中心磁感应强度为5580高斯，而在垂直高度30mm处降为760高斯。磁体C在磁极面中心磁感应强度为11300高斯，而在垂直高度30mm处降为1530高斯。（6）如果把磁体A的测量结果与磁体B和C进行对比，会发现总体上磁体B和C的磁感应强度远远高于磁体A，磁体B和C在垂直于磁极面上方的场梯度也要远高于磁体A。主要原因有三点：一是磁体B和C永磁材料本身的剩余磁感应强度要高于磁体A；二是磁体B和C的结构主要是由两块磁极相对的永磁铁粘结而成，这样可使中心区域的磁场更集中、更强，使磁极面上方的磁场梯度更大；三是与磁体B和C相比，磁体A的厚度更薄。四、高温超导磁悬浮实验4.1实验原理悬浮是指物体克服重力且不与周围其它物体接触的一种稳定状态。所谓磁悬浮就是利用磁场来实现悬浮的一种方法，它利用磁力克服重力实现悬浮。一个磁悬浮系统至少包括两个子系统，一个用于产生磁场，另一个用来改变或俘获磁场，从而实现稳定的悬浮。高温超导体磁悬浮最大的优点是它能够稳定地悬浮在外磁场中，其实里面隐含了两个条件：第一，外磁场必须是非均匀的,即一定要有磁场梯度存在；第二，高温超导体必须俘获一定的磁场。从上面的实验我们知道永久磁体上方的磁场是不均匀的，可以具有很大的梯度，可它满足稳定悬浮对外磁场的要求。而钇－钡－铜－氧系超导块材(YBCO)具有俘获一定的磁场的性能，因此利用永久磁体和高温超导块材可以满足稳定磁悬浮的两个基本条件。高温超导磁悬浮系统的冷却方式可分为两种，一种是指将超导体在一个没有磁场的环境下先冷却使其进入超导态，由愣茨定律可知，处于超导态的超导体靠近永磁体时，超导体内部将产生感应电流，阻止外磁场的进入。由于超导体内部感应电流产生的磁场与外磁场相反，超导体与永磁体间的相互作用可以等效为两个极性相同永磁体之间的排斥作用，这种悬浮是不稳定的。另一种是先将高温超导体置于永磁体上方某一位置，然后让超导体冷却进入超导态。在超导体冷却之前，超导体处于正常态，磁场可以自由地穿过超导体，当超导体冷却进入超导态后，超导体将俘获磁通，即磁场“被冻结”在超导体中，超导体处于初始静止位置不会受到磁力作用。此时如果释放超导体，由于重力作用，超导体将向永磁体靠近，超导体内部将产生感应电流，超导体与永磁体间的相互作用力表现为排斥力(悬浮力)，但由于排斥力小于重力，超导体将继续向永磁体靠近，直到作用在超导体上的排斥力与超导体的重力平衡。当超导体与永磁体之间发生相对的横向位移时,超导块材所处位置的磁场发生改变，“被冻结”的磁力线也试图脱离原来的位置做横向移动，然而由于感应电流将阻止这一趋势从而宏观上产生了侧向的回复力，试图将块材拉回初始位置，所以超导体内部的俘获磁通将保证超导体的侧向稳定性，从而使超导体能稳定地悬浮在永磁体上方，而不需要其他任何控制系统。如果试图让超导体进一步靠近永磁体，作用在超导体上的排斥力将大于超导体的重力，从而阻止超导体向永磁体靠近；反之，如果使超导体远离永磁体时，超导体内部将产生反方向的感应电流，此感应电流与永磁体间的相互作用力表现为吸引力，阻止超导体离开永磁体。因此，超导体内部的感应电流保证了垂直方向上的悬浮稳定性，而俘获磁通则保证了悬浮的侧向稳定，后述的这种方式是一种稳定的磁悬浮。本研究报告主要是实验这种稳定的磁悬浮，其原理如图11所示。图11.高温超导体磁悬浮示意图4.2实验材料和仪器本次实验采用三种不同规格的钕铁硼（NdFeB）永磁体做实验。高温超导体采用钇－钡－铜－氧系超导块材(YBCO)。实验中超导块材常常固定在一个由聚四氟乙烯制做的桶状盒中。冷却高温超导体的介质是液氮。4.3实验步骤和现象本次高温超导磁悬浮实验分两种类型：一种是高温超导块材位于下方，把永磁体悬浮在超导块材的上方，对于这种磁悬浮实验只需要一块较小的永磁块。另一种实验是永久磁体位于下方，把高温超导块材悬浮在上方，由于超导块材较重，需要比较大块的永久磁体。（1）先利用尺寸较小质量较轻的永磁块，使其悬浮在高温超导块材的上方。首先将高温超导块材放入一个由纸杯做的临时“低温恒温器”中，在纸杯上方放置一块薄环氧板作为支架，并将一小块钕铁硼永久磁铁放在环氧板上（如图12左上照片所示），永久磁铁置于高温超导块材的正上方约10mm处，放置好后将液氮缓慢倒入纸杯中，直到淹没高温超导块材（如图12右上照片所示）。保持液氮一直将高温超导块材浸泡在内，约5分钟后超导块材完全冷却。完全冷却后将支撑永磁块的环氧板缓缓挪开，发现永磁块稳定地悬浮在高温超导块材的上方了（如图12下方照片所示），悬浮高度约5－10mm。将永磁块从高温超导块材上方拿开，一小段时间后再放回去，可以看到永磁块还能在最初位置继续悬浮。视频2可观看永久磁铁的悬浮过程。（2）进行将高温超导块材悬浮于永久磁块上方的实验。需要一块较大的钕铁硼永久磁铁提供足够的磁场将超导块材悬浮起来，我们利用前面实验提到的永久磁块A。首先将永磁体A放置在一个简单支架内，然后把一薄环氧板放在这个支架上，将高温超导块材连同纸杯“低温恒温器”一起置于环氧板上，使超导块材在永磁体的正上方约10mm的位置。一切准备好后将液氮缓慢倒入纸杯中，使高温超导块材一直浸泡在液氮中（如图13左边照片所示）。5分钟后待超导块材完全冷却，进入超导态后，用剪刀剪开纸杯，轻轻挪开已剪开的纸杯和环氧板，即发现超导块材悬浮于永磁体的上方，如图13右边照片所示，悬浮高度约10－15mm。图12.永久磁铁悬浮于高温超导块材上方实验照片图13.高温超导块材悬浮于永久磁铁上方实验照片（3）换一块磁感应强度更大的钕铁硼永磁体，并把高温超导块材固定在一个由聚四氟乙烯制做的桶状盒中，按类似上面（2）实验步骤，可观察到桶状盒的悬浮状态，如图14所示,悬浮高度约10－15mm。图14.高温超导块材悬浮于永久磁铁上方实验照片4.4实验结果与分析通过三轮实验，完美地再现了神奇的高温超导磁悬浮现象，实现了两种高温超导磁悬浮状态，一种是永磁体悬浮于超导块材之上，另一种是高温超导块材悬浮于永久磁体之上，悬浮高度一般在5－15mm,并观察到磁场强度越高，悬浮的高度就越高，磁悬浮高度还与被悬浮的永磁块或超导块材重量直接相关。五、高温超导磁悬浮小车模型在永磁轨道上飞行的实验5.1实验原理和设计该实验的构想是利用塑料泡沫材料制作一个小车模型的外形，内部有盛液氮的“低温恒温器”和置于其中的高温超导块材；再利用永久磁体和纯铁条搭建一个永磁轨道。制作的小车模型可以在永磁轨道上“悬浮飞行”，以模拟行使在永磁轨道上的磁悬浮车。高温超导磁悬浮系统的性能取决于高温超导体本身的性能和外磁场的分布及强弱。对于给定的高温超导体，系统的悬浮特性直接依赖于外磁场的分布及强弱，磁场越强，系统的悬浮性能越好。根据本研究报告的第二部分实验和研究，采用永久磁体对极排列方式（如第二部分实验中的永久磁体B和C）可以把磁力线发散到较高位置，并能将磁力线高度聚集，以达到提升磁场强度和梯度的目的，永久磁体基本结构和磁力线分布如图15所示，如果把这种结构的永磁体沿纵向延伸，很有可能构建一条永久磁体轨道。基于这样的思路，把图15的基本结构沿纵向延伸，即可形成所要设计的永磁轨道。我设计了如图16所示的永磁轨道，该永磁轨道长720mm，宽84mm，高度10mm。图17中给出整个轨道一部分的详细设计，轨道的骨架是由三块720mm长的纯铁条搭建，在每两条纯铁块之间是对极排列的永磁体，永磁体是由24x10x10mm的钕铁硼永久磁块粘结而成，共用了180块这样的永久磁块。图15.对极排列的永磁体结构和磁力线分布5.2实验材料和仪器实验材料主要是搭建永磁轨道的钕铁硼磁块，规格24x10x10mm,共180块。高温超导体采用钇－钡－铜－氧系超导块材(YBCO)。实验材料还包括720mm长纯铁条三块、粘结永磁块的专用胶、液氮、塑料泡沫等。还有粘结磁块的部分工装、夹具和高斯计Lakeshore410。图16.永磁轨道总体设计示意图17.永磁轨道详细设计和永磁块排列5.3小车模型制作小车模型的制作比较简单，用一块塑料泡沫材料切削、掏挖成小车形状，如图18所示。模型内部有一个小车厢，既作为“低温恒温器”盛装液氦，又放置超导块材。5.4永磁轨道制作和轨道磁场分布测量在老师和专家的帮助下，按图16和图17所示的设计搭建和粘结永磁轨道。由于永磁块具有磁性，相互之间的吸引力和排斥力很大，只能借助一些夹具和特殊设计的工装，还要利用专用胶将永磁块粘接在一起。需要粘接的永磁块共有180块，每一块都要排列整齐，磁化方向准确无误，工作量很大。我们花费了两天才完成永磁轨道的制作，最终制成的永磁轨道如图19所示。图18.用塑料泡沫材料制作的小车模型图19.永磁轨道照片用高斯计测量永磁轨道的磁感应强度分布，由于对高温超导块材起悬浮作用的磁场方向为垂直永磁轨道向上的方向（z方向），磁场测量只测垂直方向的磁感应强度，测量方法和步骤与本报告第二部分测量永磁体磁场分布类似，如图20所示。首先测量永磁轨道表面沿小车行使方向（x方向，即纵向）中心线上的磁感应强度分布，该中心线即是位于永磁轨道中心纯铁条的中心线。在该中心线上每30mm刻度一个测量点，全长720mm，共25个测量点，用高斯计测量每个点上垂直于轨道表面向上方向的磁感应强度，两次测量结果如图21所示。可看出，在永磁轨道开始端磁场比较高，这是设计的初衷，主要想让小车模型在初始位置很容易地悬浮在一个较高的位置，形成一点高度“落差”，以便后面依赖惯性进入正常悬浮行使。在后面的六百多毫米轨道内，磁场分布基本均匀，两次测量的磁感应强度值也基本一致，确保磁悬浮平衡稳定，悬浮高度一致。图20.永磁轨道磁感应强度分布测量图21.永磁轨道表面中心线上磁感应强度分布（两次测量）接着测量永磁轨道表面沿横向（y方向，即轨道宽度方向或垂直小车行使的方向）的磁感应强度分布，测量点选取如图22所示，为了比较磁场沿纵向的均匀性，在纵向任选两个位置，进行沿横向的磁感应强度分布测量，测量结果如图23所示。然后再测沿永磁轨道垂直向上30mm范围的磁感应强度分布：沿轨道中心线任选两个点分别作为测量起始点，将一个塑料直角三角尺垂直于轨道表面直立，直角点与选取的测量起始点重合，沿带有刻度的直边每5mm取一测量点，共7个测量点。在两个任选位置上测量的垂直向上30mm范围的磁感应强度分布如图24所示。图23测量结果表明，由于永磁轨道按对极结构设计，在轨道的中心区域磁场明显增强，并且磁感应强度在横向的分布以中心线严格对称，在纵向任选的不同位置处两次测量的磁场值基本一致，表明该永磁轨道制作精度良好，轨道表面磁场在纵向的一致性很好。从图24可看出，永磁轨道从中心垂直向上的磁场梯度较大，且梯度在不同的纵向位置分布均匀一致，可确保模型小车在同一悬浮高度受到的磁悬浮力一致，以保证稳定平衡悬浮。图22.永磁轨道表面沿横向磁感应强度测量点示意图23.永磁轨道表面沿横向磁感应强度分布（纵向两个位置测量）图24.永磁轨道垂直向上30mm范围的磁感应强度分布（纵向两个位置测量）5.5小车模型在永磁轨道上的磁悬浮实验和稳定磁悬浮行使最后进行高温超导小车模型在永磁轨道上稳定磁悬浮行使实验。首先把高温超导块材放入模型车的车厢内，用三根不锈钢细丝把超导块材固定在“车厢”底部，以防滑动。该模型车“车厢”既作为车厢放置超导块材，又作为“低温恒温器”盛装液氦，以冷却超导块材。将制作好的永磁轨道放置在平整的桌面上，使用一个简单支架将小车放置在永磁轨道的上方，并保持小车处于永磁轨道的中心位置处，小车距永磁轨道高度约10mm，如图25左边照片所示。小车放置好后，将液氮缓慢倒入小车车厢内，使车厢内高温超导块材充分冷却，如图25右边照片所示。等到超导块材完全冷却后轻轻挪开支架，小车模型就可悬浮在永磁轨道上方。最初实验时，小车不能在永磁轨道上方稳定悬浮，也不能稳定行使，后发现是因为车厢内的超导块材重心与模型小车重心没有重合，导致的不平衡使小车模型不能稳定悬浮，调整二者重心后，即实现稳定悬浮，悬浮高度约15－20mm，如图26所示，轻推悬浮的小车模型，小车即可沿着永磁轨道实现稳定“悬浮飞行”，如图27所示，视频3记录了小车模型在永磁轨道上悬浮行使的全过程。图25.小车模型在永磁轨道上磁悬浮实验准备图26.调整超导块材与小车重心后，小车模型开始稳定悬浮图27.稳定悬浮和稳定行使在永磁轨道上方的高温超导磁悬浮小车模型基于5.5的实验结果和小车在永磁轨道上稳定平衡悬浮行使，可以得到如下结论：由高温超导块材制做的小车模型在对极排列设计的永磁轨道上可以实现稳定磁悬浮和稳定平衡行使；永磁轨道产生的磁感应强度在垂直方向的梯度以及在轨道表面和同一高度沿纵向、横向的均匀性是小车模型平衡稳定行使的必要条件；对极排列设计的永磁轨道可以有效提高轨道中心区域的磁感应强度和磁场梯度，磁场强度越高，小车模型悬浮的高度越高。由高温超导块材制做的小车模型在永磁轨道上稳定平衡悬浮行使，也给我们一点启示：如果增强永磁轨道的磁感应强度及其产生的磁场梯度，可以提高产生的磁悬浮力，利用永磁轨道和高温超导块材研制载人磁悬浮车在原理上是可行的，是有可能实现的，当然一定还会有许多技术挑战需要解决。六、结论与展望通过本研究了解和认识了高温超导体、永久磁体的基本性能及磁悬浮技术的基本原理。我将获得的结果和对未来的展望总结如下：（1）实验发现并证实了只有高温超导体与永久磁体结合，高温超导体在永磁体产生的磁场作用下先进入超导态，才能实现自调节的稳定磁悬浮。由高温超导块材制作的小车模型在永磁轨道上成功实现稳定磁悬浮和稳定平衡行使，表明利用永磁轨道和高温超导块材研制载人磁悬浮车在原理上是可行的。（2）实验测量结果表明永磁轨道本身产生的磁感应强度在垂直（向上）方向较大的梯度以及在轨道表面和同一高度上沿纵向、横向的均匀性是磁悬浮小车平衡稳定行使的必要条件。（3）实验结果和研究表明：对极排列设计的永磁体结构和永磁轨道可以有效提升中心区域的磁感应强度和磁场梯度。对于悬浮的高温超导体，磁场强度越高，悬浮的高度越高。（4）基于高温超导体和永磁体的磁悬浮技术具有自调节的稳定磁悬浮，而且环保无污染以及悬浮高度可根据需要设计的特点，由此技术发展的磁悬浮列车或载人磁悬浮车具有高效、安全、快捷、环保的优点，有可能是未来新型轨道交通发展的技术路线之一，具有非常诱人的应用前景。但高温超导体和永磁体一个共同的缺点是对温度很敏感，随着所处的温度变化，二者的性能都会发生较大的改变，因此高温超导磁悬浮车长期的性能可靠性是必须考虑的重大问题；此外，进一步降低建造和运行成本也是实际应用必须考虑的重要问题之一。鉴于此种情况，我今后的梦想是寻求常温下的超导新材料，如果实现常温超，将会引起一场新的技术革命。参考文献：[1].王家素,王素玉.超导技术应用。[2].张裕恒，超导物理。[3].芦逸云，高温超导块材磁悬浮实验与仿真研究（博士论文）。实验研究的一些体会：从提出我感兴趣的问题、确立研究内容到查找相关资料、准备实验材料和实验仪器、进行实验和记录数据，到最后进行实验资料和数据整理、分析和研究报告撰写，整个过程都是在老师和专家的指导下进行的，所有这些过程对我来说都是第一次做，遇到了各种困难，也经历了从未体验的酸甜苦辣，这些过程和经历使我深深体会到完整地做成一件事非常不易，特别是体验到科学研究的艰辛以及科学研究所需要的严格、严肃、严谨和一丝不苟。让我进一步认识到，做科学实验一定事先要有周密的计划、列出详细的实验步骤、做充分的安排和准备，对可能出现的各种问题要预先思考，在实验过程中除了要细致的观察、精确的测试、认真的记录外，还要具备全面深入思考问题的慎密思维、灵活多变的实验方法，严肃认真的科学精神，特别是需要不怕失败的勇气和分析解决问题的决心及能力。有两次实验是在晚上进行，我们做实验到了很晚，指导我的近代物理研究所老师仍然不知疲倦，非常耐心细致地教我，从他们身上我学到了难能可贵的忘我工作和奉献精神。近代物理研究所实验室许多先进的仪器设备让我羡慕，通过实地操作，非常有效地锻炼了我的实验操作技能和动手能力，更加激发了我学科学、爱科学的浓厚兴趣。这次实验研究对我的影响和帮助，将成为我学习和生活中的宝贵经历和进一步发展的精神财富。致谢：感谢中国科学院近代物理研究所磁体研究室提供的所有实验材料、实验仪器和实验平台；感谢我学校的物理老师和近代物理研究所老师们在本次研究过程中给予的各个方面的指导和帮助。枸杞鲜果制干前酒精蒸汽防霉变研究兰州市第二中学高二·5班田智中指导老师王雯倩摘要本研究通过对采摘后枸杞鲜果在酒精蒸汽和空气中的霉变对比实验，考察酒精蒸汽在不同浓度、温度和时长条件下对枸杞鲜果霉变率的影响情况，并采用正交实验法确定了酒精蒸汽对枸杞鲜果霉率的关键控制因素，为避免枸杞采摘后因阴雨天或其他原因不能及时制干出现高霉果率提供了解决方案。研究结果表明，在20℃～40℃温度范围下，将枸杞鲜果放置在15%酒精水溶液产生的蒸汽中，即可保证其在3天（72小时）内不发生霉变，又不会对其外观和组分产生影响；枸杞鲜果经酒精蒸汽防霉变处理3天并用热风干燥工艺制干后，枸杞干果的霉变率≤3%，仅为枸杞鲜果在常温空气中放置24小时后再采用相同热风干燥工艺制干会产生30%霉果率的1/10，与采摘后4小时内就及时进行制干产生的霉果率相当[1]；上述工艺制干的枸杞将部分不完善粒和全部霉变粒剔除后，各项指标均达中华人民共和国标准《GB-T18672-2002枸杞(枸杞子)》特优级品的要求[2]。关键词：枸杞鲜果；制干前；酒精蒸汽；防霉变1.引言枸杞树在植物分类上属为茄科茄族枸杞树植物，为多年生落叶灌木，其果实枸杞子（简称枸杞）具有很高的营养价值和医用保健功效，素有“红宝石”之称。枸杞树是附加值较高的经济树种，也是固沙造林、改良土壤的先锋树种。据本人前期开展的社会实践调查，我们甘肃大规模人工种植枸杞树起步于2003年，目前，在白银市的景泰、靖远两县，已建成10万亩的枸杞种植基地[3]，获得了显著生态效益和良好的经济效益，枸杞产业已成为当地农民增收的支柱产业。每株枸杞树的枸杞子每年6月初开始逐渐成熟，一直延续至当年的9月底，一般需要每隔5～7天采摘一次，一亩丰产期的枸杞树每年可累计采摘枸杞1500kg左右。枸杞鲜果为浆果，皮薄汁多，采摘后极易受到微生物侵染而霉变腐烂[4]，一旦发生霉变腐烂便完全失去药用和食用价值，入药或食用后会带来一定的毒副作用，而且保鲜保藏难度极大，必须将其干燥成枸杞干果。枸杞鲜果制干方法有很多种类，目前普遍采用的是自然（晾）晒制干和热风烘干法。因景泰、靖远两县气候干燥、日照充足，当地果农每次将成熟的枸杞果实采摘后，会及时清洗并拌入适量的食用纯碱（食品级Na2CO3）后，均匀的摊布在阳光下（晾）晒，如图1所示。在连续晴天的情况下，经4～5天得到含水率≤13%的枸杞干果，剔除部分不完善粒和全部霉变粒后，即可装袋贮存或作为产成品出售。图1枸杞生产基地和（晾）晒制干现场成熟的枸杞果实必须及时采摘并尽快制干。否则，在6～9月的自然环境下，12小时内就会发生霉变，24小时内其平均霉变率达10%，48小时后其平均霉变率就会超过30%[4]。所以，采用自然（晾）晒制干方法为主的景泰、靖远两县，一旦出现连续阴天或雨天，采摘后的枸杞鲜果就会因无法及时制干发生大量的霉变，给果农带来较大的经济损失。因此，如何降低采摘后制干前枸杞鲜果发生霉变的速度，使其在一定时间内不发生霉变，就成为景泰、靖远两县枸杞产区迫切需要研究解决的课题。研究资料表明，导致枸杞鲜果发生霉变的原因主要是细交链格孢、草芽枝霉和毛霉三种霉菌感染并迅速繁殖所致[1]。根据酒精分子能够吸收霉菌蛋白的水分，使其脱水变性凝固，从而达到杀灭目的灭菌原理，考虑到酒精对枸杞中的有效成分可能产生一定的抽提作用，再考虑到经济和安全方面的因素，本研究采用5%～20%酒精的蒸汽对枸杞鲜果的进行防霉变处理。本课题研究的目标是通过实验研究确定采用酒精蒸汽对枸杞鲜果防霉变处理的适宜浓度。总体研究路线如图2所示。图2总体研究路线通过科技查新得知，目前对枸杞制干过程中的防霉变研究已有文献报到和专利申请，但对于枸杞鲜果制干前采用酒精蒸汽防霉变的研究和相关专利申请，目前在国内外尚未见文献报道。2.材料与方法2.1供试材料枸杞鲜果采摘于靖远县靖安乡枸杞种植基地，采摘时已成熟并且无霉变。2.2试剂试剂级无水酒精；30°市售莲花牌食用白酒，经标定，酒精含量30.5%。2.3仪器烧杯、量筒、玻璃棒、计时器、带悬勾可对开式不锈钢网空心球、温度可调恒温箱、烘箱等。2.4测定指标与方法2.4.1测定指标检测枸杞鲜果在空气和不同浓度酒精蒸汽中，在设定温度范围内放置一定时长后的霉变率。2.4.2不同浓度酒精溶液配制按照设定浓度和实验需求量，计算出酒精和需要加入蒸馏水体积，分别用量筒量取后，加入烧杯中用玻璃棒搅拌使其混合均匀即得到设定浓度的酒精溶液。2.4.3实验方法采摘一定量的枸杞鲜果4小时内，每个试样随机选定200粒的无霉变果，装入带悬勾可对开式不锈钢网空心球，在将不锈钢网空心球悬挂于下部装有适量（酒精液位低于不锈钢网空心球最下端，并且保证在计时时间内不会挥发完毕）一定浓度酒精的烧杯内开始计时，并迅速将烧杯加盖后放入恒温箱内；经过不同时长后取出，观察读取每个不锈钢网空心球枸内杞鲜果发生霉变的粒数。通过设定每批实验的酒精浓度、恒温箱温度和时长，并且以读取的枸杞鲜果发生霉变粒数为依据，计算出枸杞鲜果在不同的酒精蒸汽浓度、温度和时长条件下的霉变率。2.4.4防霉变处理后的枸杞鲜果制干取出防霉变处理后的枸杞鲜果，拌入适量（1%）的食用纯碱后，放入烘箱托盘内，在45℃～50℃的温度下烘干48小时，即可得到含水率≤13%的枸杞干果。2.5实验设计结合景泰、靖远两县的6～9月的气候条件，选定研究因素水平的具体数值，如表1所示。表1因素水平水平ABC时长温度产生蒸汽的酒精浓度124hr25℃5%248hr30℃10%372hr35℃15%496hr40℃20%本研究采用3因素4水平的正交实验设计进行枸杞鲜果制干前酒精蒸汽防霉变的工艺条件的优化。因为没有3个因数，4个水平数的正交表，我们参照相等水平数，即L16(45)的正交表进行正交实验设计[5]，结果见表2。表23因数、4水平正交实验表试验号ABC111121223133414452126221723482439313103241133112342134141442315432164413．实验结果分析与验证实验3.1实验结果分析依据下页表3中所列的正交实验数据、计算结果，我们可以得出如下结论：⑴K1A＜K2A＜K3A＜K4A表明霉变率随着时长的增加而升高。⑵K1B＜K2B＜K3B＜K4B表明霉变率随着温度的升高而增加。⑶K1C＞K2C＞K3C＞K4C表明霉变率随着酒精浓度的升高而降低。⑷R3＞R1＞R2表明，在时长、温度和酒精浓度三个因素中，对霉变率的影响最大是酒精浓度，其次是时长，温度对霉变率的影响最小。⑸试验进行至96hr时，仅20%酒精的蒸汽中枸杞鲜果表面出现脱水起皱和颜色加深、发乌和酒精溶液呈淡橙色的情况，表明在25℃～40℃温度和96hr时长范围内，利用浓度≥20%酒精的蒸汽对枸杞鲜果制干前进行防霉变处理，会对枸杞鲜果组成成分和形状产生一定的影响；而采用浓度≤15%酒精的蒸汽对枸杞鲜果制干前进行防霉变处理，在相同的温度和时长范围内，不会对枸杞鲜果组成成分和形状产生影响。枸杞鲜果制干前酒精蒸汽防霉变试验号时长(A)温度(B)产生蒸汽的酒精浓度(C)(%)124hr25℃5%4.00224hr30℃10%0.00324hr35℃15%0.00424hr40℃20%0.00548hr25℃10%0.00648hr30℃5%15.5748hr35℃20%0.00848hr40℃15%0.00972hr25℃15%0.001072hr30℃20%0.001172hr35℃5%43.51272hr40℃10%23.01396hr25℃20%0.001496hr30℃15%12.51596hr35℃10%20.01696hr40℃5%70.5K1X4.004.00133.5试验现象：试验进行至96hr，仅20%酒精的蒸汽中枸杞鲜果表面出现脱水和颜色加深、发乌，酒精溶液呈淡橙色。K2X15.5028.0043.00K3X66.5063.5012.50K4X103.093.500.000k1X1.0001.00033.38k2X3.8757.00010.75k3X16.6315.873.125K4X25.7523.380.000RX值24.7522.3833.383.2验证性优化实验3.2.1实验方案在上述正交实验结果的基础上，本研究的验证性优化实验如下：首先将30°市售莲花牌白酒加入等体积的蒸馏水，得到浓度为15%的酒精溶液；然后按照本文2.4.3所述的实验方法，将恒温箱的温度设定为40℃，进行3份试样（编号分别为1#、2#、3#）枸杞鲜果制干前15%酒精溶液蒸汽的防霉变同条件平行实验；同时，再进行3份试样（编号分别为4#、5#、6#）枸杞鲜果制干前不做防霉变处理（烧杯内加入适量的蒸馏水）同条件的对比实验。3.2.2实验结果验证性平行对比实验的实验结果如表4所示。表4验证性平行对比实验实验结果试样编号15%酒精溶液的蒸汽防霉变处理无酒精蒸汽防霉变处理 1#2#3#4#5#6#出现霉变粒时长(hr)817984898注：1.恒温箱设定温度40℃；2.出现霉变果时，未霉变枸杞鲜果和酒精溶液外观均无变化。验证性平行对比实验的实验结果表明，采用15%酒精溶液的蒸汽对枸杞鲜果进行防霉变处理处理，在40℃的环境温度下，可保证枸杞鲜果在3天（72hr）内不发生霉变，并且不会对枸杞鲜果的组分和外观产生影响。3.2.3防霉变处理后枸杞鲜果的制干结果将枸杞鲜果在室温下利用15%酒精溶液的蒸汽防霉变处理72hr之后，拌入适量（1%）的食用纯碱，放入烘箱托盘内在45℃～50℃的温度下烘干48小时，霉果率≤3%，剔除霉变果和不完善粒后，取样用密封袋封装送至甘肃省分析测试中心委托检验。该中心出具的检验报告表明，送检的样品各项指标均达中华人民共和国标准《GB-T18672-2002枸杞(枸杞子)》特优级品的要求。4．实验研究结论利用食用酒精或市售白酒加水配置的15%酒精水溶液，用来对制干前的枸杞鲜果进行酒精蒸汽防霉变处理，在常温下（25℃～40℃）可以保证枸杞鲜果在3天内不发生霉变；而且采用上述方法防霉变处理后的，对枸杞鲜果的组分和外观未产生影响。所以，本研究成果有望可用于采摘后的枸杞鲜果因无法及时制干所发生大量霉变的问题。5．致谢首先感谢王雯倩老师在社会实践、论文选题、实验设计等方面给予本人的辛勤指导，还要感谢父母对我开展本研究的大力支持与细心陪伴，是你们的关怀与帮助使我能够完成实验研究与论文，谢谢你们！参考文献[1]吴古飞.枸杞干燥过程中防霉变剂的开发与应用研究[D].兰州.兰州理工大学,2011.[2]GB-T18672-2002枸杞(枸杞子),[S].[3]辛中尧,李茂哉.依靠科技创新建立绿色枸杞产业基地—浅析景泰县枸杞产业的发展[J].甘肃科技，2009,25(7):5~6.[4]李晓莺等.壳聚糖涂膜对枸杞鲜果常温保鲜的研究[J].安徽农业科学,2009,37(14):6597~6598.[5]郑少华.试验设计与数据处理[M].北京:中国建材工业出版社,2002.62-100.废旧电池对于生物和环境的危害探究论文兰化一中·高二年级一班孔凡心蔡文君宋濡君指导教师马陇燕【论文摘要】：人们日常使用的电池是靠化学作用，通俗的讲就是靠腐蚀作用而产生电能的。电池主要有一次电池、二次电池和汽车电池。一次电池包括纽扣电池、普通锌锰电池和碱电池，一次电池多含汞。二次电池主要指充电电池，其中含有重金属——镉。汽车废电池中主要含酸和重金属——铅。废电池看上去很不起眼，可是害处却很大。为了证明废电池对长成植物（和种子类植物）以及对动物的影响，我们组内人员做了A和B两大组实验实验。通过记录实验现象，从实验现象中，结合查到的资料得出结论。【论文关键词】：废电池；实验；危害。【论文背景】随着科技的飞速发展，电池已成为了我们生活中不可缺少的一部分，据统计全国每年大约需要电池近44亿节，平均每人一年用掉11节。但有关数据调查表明，我国电池的回收率还不到2%，一次性用掉的大量的废电池一扔了之，而废弃的电池会对我们生活、土壤等环境产生很大的影响。近两年，废电池对环境的影响成为国内媒体热门话题之一。有的报道称电池对环境污染很严重，一节电池可以污染数六万立方米的水。有的甚至说废电池随生活垃圾处理可以引起诸如日本水俣病之类的危害，还有一节5号废电池就可以使一平方土地荒废等，这些报道在社会上引起了很大反响，有很多热爱环保的人士和团体开展或参加了回收废电池的活动。科学调查表明，一颗钮扣电池弃入大自然后，可以污染60万升水，相当于一个人一生的用水量，而中国每年要消耗这样的电池70亿只。据了解，我国生产的电池有96%为锌锰电池和碱锰电池，其主要成份为锰、汞、锌，锰等重金属。废电池无论埋在大气中还是深埋在地下，其重金属成份都会随渗液溢出，造成地下和土壤的污染，日积月累会严重危害人类健康，1998年《国家危险废物名录》上定出汞、镉、锌、铅、铬为危险废弃物。因此，我组同学决定对废旧电池对于生物和环境的危害及防治这一论题进行研究。1.1基础资料万事开头难,面对着这么大的一个课题,应该从哪里研究起呢我们三人都不约而同地想到从电池的内在物质入手.人都说废电池有害,那么是不是所有的废电池都有害呢电池的危害性又表现在哪里呢为此,我们上网查阅了有关资料,并得出了以下结论:①.并不是所有的废电池都是危险品,碰也碰不得,电池种类不同,对于环境的污染差别也很大,应区别对待,有些电池如碱性干电池和镍氢电池不会对环境造成严重危害,但有些电池如镉镍电池含有有害物质,进入环境长期作用,可能直接危及人们的健康.

②.电池污染具有“生产多少废弃多少,集中生产,分散污染;短时使用,长期污染”的特点,电池污染是因为电池含有以下重金属:

铅:神经系统(神经衰弱,手足麻木),消化系统(消化不良,腹部绞痛),血液中毒和其他的病变.

汞:精神状态改变是汞中毒的一大症状.脉搏加快,肌肉颤动,口腔和消化系统病变.发生在日本的水俣病就是汞中毒的典型.

镉,锰:主要危害神经系统.镉中毒后患者手足疼痛,全身各处都很易发生骨折,俗称"痛痛病"

③废旧电池污染环境的途径:

俗话说得好:病从口入,废电池也一样.我们分析了种种电池污染过程,不外乎以下几种,且这些元素本被封存在电池壳内部,并不会对环境造成影响.是经过长期机械磨损和腐蚀,使得内部的重金属和酸碱等泄露出来,进入土壤或水源,才会通过各种途径进入人的食物链,从而危害人类健康.

这些过程简述如下:

电池→土壤→微生物→动物循环

粉尘→农作物→食物→人体→神经→沉积发病

其他:水源→植物→食品→消化

生物从环境中摄取的重金属可以经过食物链的生物放大作用,逐级在较高级的生物中成千上万地富集,然后经过食物进入人的身体,在某些器官中积蓄造成慢性中毒.

那么,废电池是如何进入环境的呢,目前我国还没有进行垃圾分类回收,目前生活垃圾处理主要是卫生填埋,堆肥和焚烧三种方式,混入生活垃圾的废旧电池在这三个过程中的污染作用体现在:

填埋:废旧电池的重金属通过渗滤作用污染水体和土壤.(主要是干电池)

焚烧:废旧电池在高温下,腐蚀设备,某些重金属在焚烧炉中挥发在飞灰中,造成大气污染,焚烧炉底重金属堆积,给产生的灰渣造成污染.

堆肥:废旧电池的重金属含量较高,造成堆肥的质量下降.2.实验证明2.1【A】实验2.1.1.为了证明废电池对长成植物的影响，我们组内人员做了四组实验。分别将仙人球，富贵竹，天竺葵，君子兰这四种生命力旺盛的植物中放入七号电池（或电池浸液）。实验结果如下：（一）仙人球实验说明：将仙人球放入盆中，放在不改变的环境中（黄色的盆子标记处中加入了废旧7号电池）。【仙人球属于仙人掌科，生命力顽强，耐旱。】现现象时间图片记录时间现象第一周（实验前）第一周的时候仙人球生命力旺盛，顶部有花朵，表面的刺直且硬度大。第二周经过一周以后，仙人球花朵掉落干净，颜色变黄变暗，有枯萎，萎缩表现。第三周第三周时放电池处的仙人掌已被腐蚀掏空，表面的刺变细变脆，同时土壤变黑。（注：仙人掌被腐蚀的情况太严重，不得不缩短实验观察时间，提前结束试验）（二）富贵竹实验说明：将买来的五枝富贵竹放入滴有电池浸液的水中，放在不改变的环境中。【富贵竹，又称水竹，属于龙舌兰科，有极强生命力。】现现象时间图片记录时间现象实验前富贵竹生命力旺盛，枝叶坚挺，翠绿。第十二天老叶子的尖端开始变黄，新生叶子依旧翠绿，但坚挺程度减弱。第二十四天新老叶子的叶尖黄色部分慢慢地扩大至整个叶片，几近枯死状态。（三）天竺葵实验说明：将一盆买来的生长茂盛的天竺葵中埋入一粒七号电池【天竺葵，多年生草本花卉，属于牻牛儿苗科，稍耐旱。特点：在土壤环境pH值约等于7的时候，花瓣呈现乳白色；pH值大于7时，花瓣成红色或紫色】现现象时间图片记录时间现象实验前花朵茂盛，呈肉粉色，茎汁液充足，硬度较大。第十二天茎下面的老叶子和花朵的边缘变黄，花瓣边缘微卷，颜色加深。第二十四天叶子整体变黄，并出现褐色斑点，花朵由粉红变成红色，最后落下（四）君子兰实验说明：将一盆买来的生长茂盛的君子兰中埋入一粒七号电池。【君子兰，多年生草本植物，属于石蒜科适宜生活在微酸性的土壤中，pH约为6.5】现现象时间图片记录时间现象实验前叶片厚实光滑油亮，叶色深绿，君子兰生命力旺盛。第十二天中间新生的嫩叶和上方的先受到损害，叶尖先变黄，变软，变薄，失去光泽。第二十四天变黄的趋势下沿，证书叶片边缘处开始发黄卷曲，直至蔓延到整个叶片。.结论：废电池对土壤以及生长在土壤里的植物有一定的影响，并且对不同的植物影响程度不同。但相同的是，废电池的埋入对植物的生长速度以及生长情况（形态，含水量，颜色等）都会产生较大的影响。同时，从多种植物的颜色变化可知，废弃的干电池可能会以碱性为主。2.1.2为了明确表现证明废电池对环境的影响，我们组内人员做了四组对照试验。通过种子的发芽情况间接模拟表现出土地的受损程度。实验说明：我们分别将绿豆，大蒜，黄豆，花生这四种植物种子分别放在浇有电池浸液的棉花中和放在清水中进行对比。绿豆芽绿豆芽绿豆芽实验结果种子（30粒）时间环境发芽数发芽率绿豆7天清水30100%电池浸液1240%大蒜7天清水1653%电池浸液827%黄豆7天清水1860%电池浸液1033%花生7天清水1033%电池浸液00%.结论：从实验可知废电池对环境有极大的危害性。废电池不仅对长成植物有影响，而且对土壤以及埋在土壤中的种子有一定的影响，而且对不同的种子影响程度不同。但相同的是它会使得种子不能够正常的发育，这对植物是一种很大的危害。2.2【B】实验2.2.1.为了证明废电池对水质及依靠水生存的动物的影响，我们组内人员做了一组对照实验。实验说明：将买来的十六只鱼苗分为两组，每组八只，分别放在清水中和滴有电池浸液的水中。水质水质时间清水中电池浸液的水中第一天第二天第三天现象鱼苗出现掉鳞和死亡情况鱼苗生活状态良好.结论：从实验可知废电池对水质有极大的危害性。同时对依靠水生存的动物存在极大影响。3.研究心得：在这次研究性学习活动中，我们学习到的不仅仅是如何查找资料，更重要的是从资料中分析得出结论，从而为后来的实验探究定下一个明确的方向。刚开始进行试验的时候，由于理论的设计完全变成了实际的操作，我们有些无所适从，不知从哪里下手才好。后来在马陇燕老师的指导下，我们渐渐明确了实验的具体方法。因为考虑到经费的问题，我们并没有做很多的对比试验，但是，我们所选取的植物大多具有“随土色变”的特性，这就很大程度上直观地为我们展现出了土地酸碱性的变化。研究性活动不仅培养了我们的合作协调能力，更重要的是，让我们获得了从实验中分析现象从而得出结论的能力，实在是获益匪浅。通过实验证明，我们可以很容易的看出废电池对环境的影响。与其说是影响，不如说是一种危害。废电池的危害是一种源头上的污染。它里面的污染物（重金属盐和电解液）通过土壤和水传播给其他生物，由于生物链环环相扣，这就给了污染物一个很大的传播机会和传播空间，当植物或生物体内的有害物质富集到一定程度的时候，受污染的症状便会表现出来，但此时，受污染的程度已经不轻了。废弃电池中最多的就是干电池，由于他们电容量低，不能满足需要大电流和较长期连续工作的环境，所以人类用过一次后便会丢弃它们。殊不知这一个小小的丢弃动作的背后，会引发多么大的悲剧。所以说，我们在日常生活中必须要有这种为环境着想的意识。4.参考文献《无机化学原理》《无机化学疑难问题解答》《化学反应的酸碱理论》《化之道》《污染实录》《金属与无机废物回收百科全书》与水污染有关的书动轴式减震，可变力自动档变速山地自行车泾川一中高二·17班何欢指导老师朱维斌一、设计原由由于我国工业的快速发展，消费水平的逐步提高，汽车数量大幅度增多废气排放量大，导致近几年来，大部分城市遭受雾霾袭扰，空气质量极差，民众出行不便，更不利于民众的身体健康，也因此，催生的低碳生活这一理念。骑自行车无疑既方便出行，又低碳环保的一种生活方式，于是越来越多的人选择骑自行车上下班，骑自行车变成了一种时尚，与此同时各种赛车也进入了人们的生活之中。市面上常见的有山地自行车，公路自行车。山地车，是专门为越野（丘陵，小径，原野及砂土碎石道等）行走而设计的自行车。因其坚固、粗犷、新颖的外型、缤纷夺目的色彩、优越的骑行性能，很快成人们追求的时尚山地车的主要特征是：宽胎，直把，有前后的减震，骑行较舒适。宽而多齿的轮胎提供抓地力，有减震器吸收冲击。刚度大，行走灵活等特点，骑行时不必选择道路，无论街巷漫游还是休闲代步都获得了广泛的好评，骑车者可以在各种路面环境上尽情地享受舒适的骑行乐趣。但是普通山地自行车依然有某些缺点：骑行时，由于身体重量全部由手臂和屁股承担，所以骑行时间过长会导致手臂、手掌、屁股、腰很酸痛。变速器虽然可以让我们在更多种坡度上骑行，但是频繁的变速比较麻烦，而且如果在变速过程中需要刹车，是比较危险的，因为这时候我们的手指还放在变速器上而不是刹车把上。前轮只能朝一个方向减震，在障碍物较高时，会有很大的来自前方的冲击感（就像骑自行车撞在墙上一样的感觉）。前后两轮之间有脚踏板和牙盘（即由脚踏板带动的大齿轮），在骑行时，这部分有时可能会碰到地上的石头或台阶等，导致发生侧翻事故。自行车在骑行速度较快时，刹前刹车会使自行车后轮翘起，使人向前甩出。……为此我设计出了这款自行车，他和传统的山地车相比有很多的不同之处。二、设计图、工作原理整车侧视图前轮前轮侧视图（略碟刹片）前轮主要有转动杆、弹簧、车轴、车圈、轮胎组成。车圈直径约34寸，相比普通的山地自行车的26寸前轮有更强的通过能力（即从障碍物上滚过的能力，车圈直径约小通过能力越差）。减震工作原理（简图）（轴相对于圈的不同位置）车轴可以在车圈内直径约35cm的圆形区域内移动，又因为车轴与车圈用只能朝一种方向转动的转动杆连接，所以车轴始终与车圈平面垂直。达到减震、防撞（车轮被阻不向前移动，车轴与车体向前移动。弹簧起到缓冲作用，可减少对车手和被撞物体的损伤）、防紧急前刹车（车前轮被刹车器抱死不移动，车体向前移动，弹簧缓冲。而不是后轮翘起）的目的。2.前叉、手把前叉、手把正视图3.后轮后轮侧视图动力齿轮与车圈的传动方式（局部简图）脚踏板带动主动轮转动，主动轮通过链条带动从动轮转动，从动轮和变速齿轮同轴转动，变速齿轮带动飞轮转动，飞轮（与普通自行车后轮的齿轮一样，只能朝一个方向转动，当脚踏板不转动时。后轮依然可以向前转动，达到滑行目的）和动力齿轮同轴转动，动力齿轮与轮圈用齿牙传动，达到是自行车向前骑行的目的。变速器工作原理当拉变速线时，变速杆绕轴移动，牵引链条从大齿轮上脱落到小齿轮上改变速比，当松变速线时变速导轮牵引链条从小齿轮上移到大齿轮上。当变速齿轮对飞轮的拉力变大时，动力齿轴沿轨道向前移动，挤压弹簧，限斜杆防止了动力齿轮的倾斜，拉动了变速线，变速线拉动变速器，使链条从大齿轮上脱落到小齿轮上，改变速比，紧链轮把长余的链条拉紧，档变速齿轮对飞轮的拉力减少时，弹簧把动力齿轴弹回原位，松动了变速线，变速器上的弹簧把变速杆弹回原位，变速导轮牵引链条从小齿轮上又回到大齿轮上。变力器：当通过手把上的变力器（原理与普通变速器相同）把变速线拉紧时，弹簧对动力齿的力度大；变力器把变力线松开时，弹簧对动力齿的力度小。这样，假如你在进行一个长途越野，前半程你精力充沛，力气很大。你可以调节变力器拉紧弹簧，则此时你需要用较大的力蹬脚踏板才可以变速。而当后半程时，你已经筋疲力尽，力量变小，这时你调节变力器放松弹簧，则此时你用较小的力蹬脚踏板，就可以变速了。这也就是可变力自动挡变速的含义。变速齿轮剖面图速比主动轮直径：27cm从动轮直径：5cm飞轮直径：5cm车圈内侧直径：60cm动力齿直径;10cm脚踏板转动一圈时个齿轮转动圈数档位变速齿轮半径/cm变速齿轮转动圈数/圈主动齿轮转一圈飞轮转圈圈数/圈车轮转圈圈数/圈速比1：0.9277.61.31:1.3399.71.61:1.641111.91.91:1.951314.02.31:2.361516.22.71:2.771718.43.11:3.181920.53.41:3.492122.73.81:3.8102324.84.11:4.11125274.51:4.5速比也就是脚踏板转动一圈，车轮的转动圈数。限位轮与车圈4.腹垫腹垫侧视图腹垫俯视图车手的重量全部集中在腹垫上，腹部有通气孔，在骑行时有散热功能。腹垫外部用皮质材料做成，中间是软材料，内部有金属骨架，与主车架连接。腹垫的前挡板可以在自行车在紧急前刹车时，防止车手向前飞出。左右挡板可以防止自行车转弯倾斜时车手从车上滚落。后挡板防止车手从自行车后方滑下，并且，分担车手的一部分重力。三、骑行方式四、性能比较自行车后视图（简图）由于受到脚踏板位置和高度