磁力小火车

分析影响速度的因素 B线圈 F ` I磁铁 a V t
m
μ0 n I线圈 B磁铁 E R内 R线
L磁铁
mg μ
f
实验一，研究B磁铁对V的影响
实验器材：多个磁铁，干电池，均匀缠绕的铜线圈，万用电表，秒表，米尺 实验原理：固定铜线圈长度，依次增加小火车磁铁个数，分别测出通过该 铜线圈的时间，时间越长，则速度越小。 实验内容：（1）用万用表测干电池电动势E,将铜线圈拉伸至70CM并固定， 把电池两端按照正确的方法分别吸附上2个磁铁，用秒表 测出走完全程所需时间。 （2）用万用表测干电池电动势E（与上组进行比较，若差距较 大，则更换干电池），然后重复以上步骤分别测出每端 吸附3个，4个，5个走完全程所需时间。 （3）多次测量，取平均值。
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实验一，研究B磁铁对V的影响
数据分析：
干电池一端磁铁个数n
2 3 4
小火车走完70cm所需平均时间t/s
2.47 1.49 1.22
5
磁铁个数与运动时间表 t/s
1.01
3 2.5 2 1.5 1 0.5 0
2.47 1.51
1
1.23
1.01
从图中可以看出在一定的误差范围 内，随着磁铁个数的不断增加，小火 车通过70cm长的铜线圈时间越短， 即在其他条件不变的情况下随着B磁铁 的不断增强，小火车的运动速度不断 增大。 n
实验三，研究m与f对V的影响
数据分析：
小火车总质量m 49.15 54.10 59.45 69.10 通过铜线圈所需时间t/s 0.82 0.91 1.43 2.06
2.5 t/s 2
通过铜线圈所需时间表
2.06 1.43 0.82
1
1.5
1 0.5 0 49.15 54.1 0.91
从图中可以看出，随着小火车 总质量的增加，小火车通过铜 线圈所需时间越长，故可以推 出，随着小火车质量的增加， 小火车所受到阻力增大，小火 车运动速度逐渐变慢。
59.45
69.1 g
实验三，研究m与f对V的影响
误差分析： （1）人工计时秒表会有一定的反应时间，由于每 组都有反应时间， 这个误差就可以忽略。 （2）铜线圈不能做到理论上的缠绕均匀，因此在拉 伸的时候会出现一些误差。
（3）砝码会受到磁场的影响。
影响速度V的因素
影响因素 小火车质量m 小火车所受阻力f 磁铁磁感应强度B磁 铜线圈单位长度的匝数n与铜线电阻R线 干电池内阻R内 影响V结果 随着m增大V不断减少 随着 f 增大V不断减少 随着B磁增大V不断增大 随着n与R线的增大V不断减少 随着R内增加而减少
线圈产生的磁场是怎么 作用于磁铁的？
根据安培的分子电流 假说，我们可以把磁 铁等效成一个个环形 电流
s
N
对磁铁的等效圆环进行分析
根据左手定则，可 以判断出磁铁受到 横向的力，所以小 火车就会动起来
但是不难发现，左侧等效电流是向上 的，那么如果是向下的呢
小火车运动的条件
只有图中所示的这 两种情况小火车才 会运动起来
磁力小火车
辽宁省大学生物理知识竞赛
磁铁和电磁的整体组成会动的“小火 车”，那么 小火车是怎么动起来的呢？缠绕的铜线
• 首先我们开始思考要使小火车从静止到运动，必须的有 一个横向的力作用于小火车，那么
小火车受到的力是哪来的的？
磁力小火车模型就这两种器材， 磁铁和电池构成的小火车，缠绕 的铜线
磁铁充当导体，与电池和 铜线形成闭合回路，铜线 圈通电后产生磁场，产生 的磁场对磁铁产生横向的 力
影响功率P的因素
对小火车有，½mV²=Pt ，P=（½mV²）/t=½m²Va均 可以看出m,v,a均影响功率P
对于m,m增加，f也必增加，由P=UI-I² R总-fV可知，在一定 范围内，随着m 的不断增加，P不断减少。由实验三也可 以证实。
对于V和a均，V=at,V受到a均的影响，二者对P影响是一致的。 在质量不变的情况下，P随着V的增大而不断增大。
误差分析：（1）人工计时秒表会有一定的反应时间，由于每 组都有反应时间， 这个误差就可以忽略。 （2）铜线圈不能做到理论上的缠绕均匀，因此在拉 伸的时候会出现一些误差
（3）手工测量长度的误差。
实验三，研究m与f对V的影响
实验器材：磁铁，干电池4个，均匀缠绕的铜线圈, 秒表，米尺，双面胶带， 电子天平秤，不同规格的砝码。 实验原理：将不同质量的砝码用双面胶带粘在小火车上，来改变小火车的质 量。而阻力f=μmg,μ保持不变，小火车质量越大，阻力越大。 实验内容：（1）在干电池两端按照正确的方法分别吸上2个磁铁组成小火 车。 （2）用电子天平秤测出小火车质量m，将小火车在拉伸80cm的 铜线圈上通过，用秒表测出通过所需的时间t。 （3）分别将5g,10g,20g的砝码用双面胶粘在小火车 ，分别测出 质量m，然后重复上一步骤，测出所需的时间t。 （4）多次测试，取平均值。
实验二，研究n与R线对V的影响
数据分析：
铜线圈原始选取长度l/cm 25 30 35 40 1.2 1 0.8 0.6 小火车通过铜线圈所需的时间t/s 1.13 0.96 0.82 0.75
t/s
小火车通过不同原始长度线圈所需时间表
1.13
0.96
0.82
0.75
0.4
0.2 0 25 30 35 40 l
影响功率P的因素
对小火车有， F瞬时功率， 小火车瞬时功率表达式， 在小火车启动时候， 要使小火车瞬时功率平衡 P =UI-I² R总-fV F实=F-f FV=UI-I² R总 F实V=UI-I² R总-fV，
V I
f恒定 F
F实
故，小火车运动的整个过程是一个加速度不断 减少的加速运动，速度达到一定值后，开始匀 速运动。
影响速度v的因素影响因素影响v结果小火车质量m随着m增大v不断减少小火车所受阻力f随着f增大v不断减少磁铁磁感应强度b磁随着b磁增大v不断增大铜线圈单位长度的匝数n与铜线电阻r线随着n与r线的增大v不断减少干电池内阻r内随着r内增加而减少影响功率p的因素对小火车有uiir总fvf实fff瞬时功率fvuiir总小火车瞬时功率表达式f实vuiir总fv在小火车启动时候f恒定要使小火车瞬时功率平衡故小火车运动的整个过程是一个加速度不断减少的加速运动速度达到一定值后开始匀速运动
2
3
4
5
实验一，研究B磁铁对影响
误差分 析：
（1）随着小磁铁个数的增加，小火车本身质量也增加，所受阻力也 不用断增大。可以采用每组都粘上相同质量和形状大小的小石 块，使小石块与磁铁个数和都为5。 （2）人工计时秒表会有一定的反应时间，由于每组都有反应时间， 这个误差就可以忽略。 （3）手工测量长度的误差。
实验二，研究n与R线对V的影响
实验器材：6个磁铁，干电池，均匀缠绕的铜线圈，秒表，米尺，硬塑料片。 实验原理：铜线圈单位长度的匝数n与闭合回路中铜线电阻R线为正比关系，随着 n的不断减少，R线也不断减少，因此n与R线对速度的影响是一致 的，我们分别将几组不同长度的铜线圈拉伸到一定的长度，测出 小火车通过该长度铜线圈所需的时间，时间越长，速度越小。 实验内容：（1）在铜线圈自然状态下，用米尺量出25cm后，用硬塑料片卡 住，将量取的部分拉伸至50cm，把电池两端按照正确的方法 分别吸附上3个磁铁，用秒表测出小火车走到硬塑料片所需时 间。 （2） 重复以上步骤，分别测出30cm，35cm，40cm所需时间。 （3） 多次测量，取平均值。
从图中可以看出，随着铜线圈原始 选取的长度不断增加，并且拉伸到 都为50cm,小火车通过铜线圈时间 不断减少，可以推出，在一定的误 差允许范围内，相同长度的铜线 圈，随着单位长度线圈匝数n不断 减少，R线也不断减少，小火车速度 不断增加。同为电路内的电阻，R内 不断减少，速度也不断增加。
实验二，研究n与R线对V的影响
影响功率P的因素
由之前对速度V的影响因素分析，和m对P 的理论分析可以得出
影响因素 小火车质量m 小火车所受阻力f 磁铁磁感应强度B磁 铜线圈单位长度的匝数n与铜线电阻R线 干电池内阻R内 影响P结果 随着m增大P不断减少 随着 f 增大P不断减少 随着B磁增大P不断增大 随着n与R线的增大P不断减少 随着R内增大P不断减少