一种经济的_超导磁悬浮列车_模型的制作方法

为什么晴朗的天空是蓝色的; 为什么早晨和黄 昏的时候太阳是红色的, 而中午却是白色的?不少人 从书本上获知这是由于太阳光在大气中发生瑞利散 射造成的. 但很多人对造成这种现象的详细原理却 只是略知一二, 更缺少实验来进行有效地验证. 缺乏 实验支撑的理论知识, 在课堂教学中必然显得生硬, 不足以让人产生信服感. 为此, 笔者参考了一些国外 的资料, 摸索出一套能简易演示蓝天、红日成因的模 拟实验, 以期与大家分享.
实验材料: 硫磺粉末, 乙醇. 实验器材: 铁架台, 荧光灯, 透明矿泉水瓶, 硬纸 片( 不透光) , 烧杯, 一次性筷子等.
图1
实验准备及安装: 取出 300 ml 乙醇于烧杯中, 加 入硫磺粉末约 9 g, 用一次性筷子进行搅拌, 待均匀 后, 此时溶液呈淡蓝色. 将该溶液的澄清部分倒入透 明矿泉水瓶中, 加入纯水 使瓶中装满, 摇晃使之均 匀. 用保鲜纸( 透明) 将瓶口密封, 并用透明胶贴紧 防止溶液溢出瓶口, 保证光线能从瓶口通过. 接着, 将硬纸片( 不透光) 挖一个大致与矿泉水瓶口相当 的小孔, 以便荧光灯产生的光, 能平行射进矿泉水瓶 中. 最后按图 1 所示, 用铁架台分别将荧光灯、硬纸 片、矿泉水瓶固定在同一水平线上.
实验观察: 接通荧光灯电源后, 倘若我们从瓶子 侧面观察则可以看到蓝光, 而从瓶子底部迎着入射 光观察则可以看到红光或黄光. 再过大约几分钟后,
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5 应用价值
( 1) 本制作可以作为建设短程超导磁悬浮列车 的基本模型, 比较适合建设在游乐园、旅游景点.
( 2) 本制作可以作为科技馆或科技活动场所的 展览产品, 从而成为使大众了解科学技术、提升大众 科学素养的一种有效手段.
( 3) 本制作可以开发为大中专院校物理教学的 演示仪器, 一方面是因为制作成本低廉, 另一方面是 操作简单, 现象明显. 在演示过程中, 学生不但能掌 握相关的物理学知识和原理, 还能深刻体会科学技 术对社会的巨大推动作用.
1 基本原理
当把一个超导体移近永磁体表面时, 因为磁感 线不能进入超导体内, 所以在超导体表面形成很大 的磁通密度梯度, 感应出高临界电流, 从而对永磁体 产生排斥. 排斥力随相对距离的减小而逐渐增大. 如 图 1 所示, 用超导体做成小车, 它可以克服自身的重 力, 使其悬浮在永磁体铺成的导轨上方. 当给超导体 小车一定的作用力时, 小车就会沿导轨运动. 在铺设 永磁体导轨时, 按图 2 的方式铺设, 由于两边磁铁的 磁性相同, 中间磁铁的磁性和两边的相反, 这样就会 形成一个磁通峡谷, 这个峡谷将承担一个隐形的防 护栏作用, 使得小车在运行过程中不会脱离轨道, 达 到安全运行的目的. 图 1 就是我们科技组所制作的 新空气 号超导磁悬浮列车模型.
( 4) 少许时间后, 打开小车车盖, 再次缓慢注入 液氮, 如此重复操作数次, 直到小车悬浮于导轨上方 之后, 停止此操作.
( 5) 轻轻推动小车, 使小车沿导轨运动起来. 由 于导轨两端装有弹簧挡板, 所以当小车运动到两端 时就会由于弹性力的作用, 来回往返运动.
( 6) 为了使小车的悬浮高度增加并且能持续悬 浮, 可以给小车持续注入液氮.
2009 年第 5 期
物理通报
实验创新
实验创新
一种经济的 超导磁悬浮列车 模型 的制作方法
蔡佳宁 马培勇 薛永红
( 华北科技学院基础部 北京 东燕郊 101601)
( 1) 永磁体导轨: 图 2 为导轨示意图, 图 3 为按 图 2 铺成的真实导轨, 主要是有序排列的永磁体.
( 2) 小车: 小车由两部分组成, 超导体盒( 图 4) 和小车外罩( 图 5) . 超导体盒由抗磁性、抗低温、质 量不太大的材料做成, 大小按照轨道和超导体的大 小来设计, 并且要牢固地卡住超导体. 小车外罩设计 为和现代的磁悬浮列车外形相似的外壳, 大小正好 能罩在超导体盒上.
蓝天、红日成因的实验模拟及演示
余建刚
( 佛山市南海区石门中学 广东 佛山 528248)
图7
4 演示方法
( 1) 把长直导轨放在支架上, 然后将小车放在 导轨正上方.
( 2) 带上防护手套, 打开液氮罐, 向瓷杯中慢慢 注入少许液氮, 加盖.
( 3) 将瓷杯中的液氮缓慢地注 入小车内( 注意 不要使液氮溅到皮肤上) , 迅速盖上小车外壳.
( 2) 小车: 超导体盒的大小为: 6 ! 3. 5 ! 4( cm) . 由于导轨上的永磁铁的磁性很强, 所以小车必须选 择一种非铁磁性材料来做, 例如可以选择泡沫塑料、 工程塑料等材料. 我们通过多次实验, 最终的超导体 盒, 采用的材料是工程塑料、松香及防干胶布等. 小 车外罩先用泡沫塑料和工程塑料做出小车的框架结 构, 再用彩纸装饰, 大小恰好可以盖住内部的超导体 盒.
图1
2 基本模型
模型主要包括两部分: 永磁体导轨、超导体小 车.
图4
图5
3 制作方法和过程
( 1) 导轨: 选择一条摩擦系数比较高, 长度约为 80 cm, 宽度为 6 cm, 厚度为 2 cm 的笔直钢质管材作 导轨底座. 将永磁铁按图 2 的形式铺设到底座上. 两 边的磁性相同, 中间的磁性和两边的相反. 利用永磁 铁之间的吸引力和永磁铁与管材表面的摩擦力, 使 得各个磁铁排列得更加紧凑.
( 3) 支架: 用钢筋焊接支架, 长度 60 cm, 高度 30 cm, 如图 6 所示. 要求把轨道放在其上面, 可以保证 平衡、安全.
Baidu Nhomakorabea图2
图3
图6
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2009 年第 5 期
物理通报
实验创新
( 4) 挡板: 在轨道的两端分别安装一个弹簧挡 板, 如图 7 所示. 当小车运行到轨道末端的时候可以 碰撞到弹簧上, 利用反冲力使小车沿反方向运动, 并 且可以保护小车不会受到损坏.