大学物理课外实践项目 磁浮陀螺

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1、1磁浮陀螺姓 名： 寇明林 班 级： 材料成型及控制工程一班二 O 一一年十月一十八日2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。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

2、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 5

3、00 公 里 /小 时 速 度 下 ， 每 座 位 公 里 的 能 耗 仅 为 飞 机 的 1 3 至 1 2， 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

4、 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

5、 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

6、 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 。 32.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

7、。 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

8、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

9、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

10、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

11、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。4（二） 操作原理：飞碟悬浮点所受磁场力

12、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

13、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，5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，

14、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

15、，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。6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，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

16、磁场更均匀，稳定。图 1.我购买的环形永磁铁和自己制作的陀螺7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。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