基本信息
- 项目名称：
- 磁悬浮列车演示仪
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 数理
- 大类：
- 科技发明制作B类
- 简介：
- 基于磁悬浮与机械驱动原理研制了“磁悬浮列车”教学仪。该教学仪可以演示磁悬浮列车的悬浮效果。
- 详细介绍：
- 一、引言 磁悬浮列车是一种没有车轮，陆上无接触式的有轨交通工具，时速可达到500公里。它利用常导或超导电磁铁与感应磁场之间产生相互吸引或排斥力，使列车“悬浮”在轨道后或下面，做无摩擦的运行，具有启动、停车快和爬坡能力强等优点。[1] 在浙教版初中《科学》课本中讲到两个同名磁极相互排斥，但没有实例，并且在目前的中小学教育中缺少“磁悬浮列车”教学仪。本文介绍了一种简单易懂的教学仪模型，能使中小学生对磁悬浮列车有初步的形象认识，同时对两个同名磁极相互排斥这一结论有更深的理解。[2] 二、功能简介 “磁悬浮列车”教学仪依靠同名磁极相互间的斥力使小车处于悬浮状态，进而实现小车与轨道间无机械接触。当给小电动机通以3v低压电源后，电动机旋转的轴会带动小车沿圆轨道运行。 该演示仪使用简单，用通俗易懂的方式演示磁悬浮列车悬浮原理，在教学过程中起到很好的辅助作用，使中小学生对磁悬浮列车悬浮原理有初步的认识。 三、“磁悬浮列车”教学仪的主要结构 四、“磁悬浮列车”教学仪的物理原理 此模型使用了塑料磁性条，塑料磁性条宽1cm，厚1cm，正反两面有N极和S极两种不同的磁极。利用同名磁极相互排斥，异名磁极相互吸引这一原理使得小车能够悬浮起来。同时使用了一个3V的电动机，将小车粘在轴承的木条上，电动机通电后，轴承运转，带动连接木条沿圆轨道运行，从而粘在木条上的小车也沿圆轨道运动。所以，电动机是磁悬浮列车能够启动的动力来源，电路原理如图2。 五、“磁悬浮列车”教学仪制作 1、制作一个直径为60cm的木制圆盘，将电动机装在圆盘底部，并使电动机的轴承从圆盘底部的圆心穿上，使轴承高出圆盘平面一定距离，以便与固定小车的小木条连接。 2、将宽1cm，厚1cm塑料磁性条在木制圆盘的边缘围成一个直径为50 cm的圆，作为磁悬浮列车模型的轨道。并做两条长为30cm的小木条，分别在其一端用电钻钻一个与轴承直径相同的小洞。将两个小木条一上一下套在轴承上，且两条小木条稍微岔开，呈五度角，用以承载小车。同时分别在小木条的表面用玻璃胶粘上一小段塑料磁性条，使小段塑料磁性条在圆轨道正上方，并使小磁条与轨道的同名磁极相对放置，利用同名磁极相斥的原理使得小段塑料磁性条和木条能够悬浮起来。小木条的作用是使小段塑料磁性条处在轨道的正上方，这样轨道和小段塑料磁性条间的斥力才能把小木条和小段塑料磁性条浮起来。将自制的泡沫小车模型用胶水固定在粘有小段塑料磁性条的木条的一端。 3、将电动机与学生电源、电位器（滑动变阻器）、开关用导线相连。 4、打开电源，调节电压，便能看到原本浮起的小车在电动机的带动下绕圆形轨道运动起来。同时调节滑动变阻器可以随时改变小车的速度。 六、“磁悬浮列车”教学仪的演示 1、用导线将接线柱与学生电源连接。 2、调节电压，打开开关，调节滑动变阻器使悬浮在空中的小车转动起来。 3、调节滑动变阻器，改变小车的速度。 4、电源反接，小车将倒着开。 七、“磁悬浮列车”教学仪的改进方向 1、模型动力问题的改进。将模型的动力由轴心转移到小车上。 2、改进小车与电动机之间的连接杆。连接杆的设计会让学生误以为是离心力使小车浮起来，而非磁条同性相斥原理使小车浮起。 因此还需对其进行改进，把原有的环形轨道改成直行轨道，使磁悬浮更加明显，并去除两个连接杆，使其在外观和实质上更加接近真实的磁悬浮列车，使学生能够更加清晰的看到磁悬浮现象。 基金项目：浙江省新苗人才计划推广项目。 参考文献 [1]吴萃娴,磁悬浮列车原理初探,学术观察,2009 [2]朱清时,科学八年级下,浙江教育出版社 [3]李佳,探讨制定物理教学仪器标准应遵循的原则[J].物理实验,2001年，第21卷第5期：27-28 [4]金毅,我国中学物理教学仪器的现状及近期内的发展方向[J].物理实验,1993年,第13卷第6期：264-265 [5]易立志,左安友，“弦振动的研究”实验仪器的改进[J].物理实验,2001年,第21卷第6期：47
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 目的和基本思路：针对当前的中小学教育中教具的地位与作用以及当前中小学中该类教具的缺乏这一现象，我们小组同学通过构思积极的参与到“磁悬浮列车演示仪”的制作与研究中来，经过第七届科研立项，湖州师范学院2009-2010年实验室开放项目以及浙江省大学生科技创新活动计划（新苗人才计划）。将其逐步进行完善。 创新点：希望能模型中更直观的展示一些磁悬浮原理，并将磁悬浮真正的带进学校带进课堂，成为一件教具，使得同学们能够对其有更好的理解。 技术关键：使得磁体小车能够按照我们所设定的圆轨进行悬浮并运动。 主要技术指标：在该项目的开展期间，我们已经完成如下成果： 1.国家实用新型专利1项，专利证书编号为：CN200920122675.8； 2.核心期刊发表论文1篇，发表在《现代物业》（科技版），编号为AF4321； 3.与平湖市春苗教育装备有限责任公司签订生产协议。
科学性、先进性
- 本模型将当前“磁悬浮列车”中的磁现象更好的展现给了学生，使得学生在学习过程中能够对于磁有更加直观的了解与认识。
获奖情况及鉴定结果
- 1.湖州师范学院第五届物理实验技能竞赛一等奖 2.湖州师范学院理学院第七届大学生科研立项优秀项目 3.湖州师范学院2009-2010学年学生实验室开放项目优秀项目 4.2010年3月24日正式获得国家实用新型专利 5.本项目获2009年浙江省大学生科技创新活动计划（新苗人才计划）项目
作品所处阶段
- 生产阶段
技术转让方式
- 专利转让
作品可展示的形式
- 模型、图纸、现场演示
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 圆轨型教学演示仪为电动，且小车与轨道之间的斥力是连续的，这样在演示时相比较而言更加的顺畅，将电源反接后小车就能逆向行驶。同时圆轨型演示仪在改变其滑动变阻器阻值大小时还能改变小车的速度。在这一层面上更加接近实际生活中的磁悬浮列车。 由于当前中小学中与磁悬浮相关的演示仪基本处于空白状态，所以该“磁悬浮列车演示仪”具有良好的运用前景，同时该项目已与平湖市春苗教育装备有限责任公司签订生产协议。
同类课题研究水平概述
- 目前，国际上磁悬浮列车主要存在两种技术体系。 EMS 系统 EMS(Electro Magnetic Suspension)系统，中文译为电磁制。EMS制的研发在德国得到了较好的发展，目前德国在这方面的研制水平已经处于世界领先地位。该系统中悬浮电磁铁是由普通导线通过绕制而成的,它属于常导型(相对超导而言)。同时由于在该系统中靠的是电磁体的吸力将列车吸离地面，所以又称吸力型(相对斥力而言)。当前国内外众所周知的上海浦东的磁浮列车全套EMS制技术就是从德国引进的，并且基本上该套技术采用的还是1934年肯佩尔专利的形式，但是与其不同之处就在于上海磁悬浮列车将车厢由轨道下方移到了上方。 EDS系统 EDS(Electro Dynamics Suspension)由美国的鲍威尔(Powell)和丹比(Danby)于1966年提出。EDS系统的研究在日本得到了较好的发展，当前日本所研发的EDS制磁浮列车在世界其他国家所研制的EDS制种处于领先地位。当前磁浮列车速度的世界纪录就是由日本所研制的EDS制创造的。 HSST系统 HSST(High Speed Surface Transport)系统被称为高速地面运输系统，最初是由德国发明，但是后来日本从当时的联邦德国引进基础技术后做了进一步研发。该系统的悬浮原理（通过车载电磁铁吸引铁轨并加以控制以实现悬浮）与EMS制悬浮原理相同。该系统下的悬浮高度也是在10毫米左右(见图2)。但是与EMS制系统相比较，该系统不同之处在于其向导力可由悬浮磁体自动产生，也就是说当列车偏离轨道中心时，电磁铁会与轨道错开，产生的水平恢复力可将列车拉回中心。综合比较可知虽然HSST导向系统具有简单、节能等优点，但是由于在该系统下产生的导向力不大，因此不能用于高速运行。 高温超导磁浮列车 这种磁浮列车的磁浮原理采取了超导体的抗磁性，即将某极性（例如N极）向上的磁体铺于路轨，同时由于用液氮(77K)浸没而处于超导态的高温超导体YBCO(YBa2Cu3O7-x)置于列车底部，这时路轨磁体在超导体中的感生永久电流与路轨磁场相斥而产生悬浮力。然而YBCO并非理想的第二类超导体，因为一部分磁通会进入超导体并被“钉扎”于超导体中，在行进过程中当列车偏离中心时，钉扎力会使列车复位。同时在该系统下的推进系统采取的是直线同步电机推进。
