自制磁力小车

刘思佳　李莹　宫庆萍

摘要：自制电磁驱动小车，用于安培力概念教学，分析了小车运行速度与磁力大小和电压大小的关系.

关键词：自制磁力小车；电磁驱动

作者简介：刘思佳（1993-），女，黑龙江人，硕士研究生在读，研究方向：物理学科教学.

“胶囊超级高铁”，这一概念最初由PayPal、特斯拉和Space X创始人伊隆·马斯克在2012年提出.当时加州在建的高铁在马斯克眼中不仅速度慢，并且造价昂贵，因此“胶囊超级高铁”概念应运而生，并被马斯克称为人类的“第五种交通方式”. 胶囊列车（又名胶囊超级高铁），是由两家美国公司相继利用“真空管道运输”的概念，正在研究的一种全新交通工具.据称，这种“胶囊”列车可以超高速、低能耗、无噪声、零污染.被认为是继汽车、轮船、火车和飞机之后的新一代交通运输工具.2005年西南交通大学成立真空管道运输研究所，正式启动中国管道运输领域的研究和开发.为了使学生了解安培力和电磁驱动概念，笔者自制了电磁驱动模拟小车，用以模拟电磁驱动[1].

1实验原理

物体的运动状态发生了变化，一定是受到了力的作用，从本教具来看，电池运动的动力为磁场力.在图1中，电池两端的磁铁与线圈A、B两点接触，电池、磁铁与线圈形成通电螺线管，产生的电流方向为线圈中箭头方向，通电螺线管内部产生的磁场方向向右，A、B两点为螺线管边缘处，此处的场强非匀强磁场.

电池两端所吸附的磁铁可以等效为一个小的通电螺线管，如图2所示，此时当磁铁、电池与铜线形成回路时，磁铁中可以看作有无数的环形电流.

在电池两端的两个等效螺线管上分别取一个环性电流（如图3），这两个环形电流在线圈磁场的作用下产生磁场力，由于线圈与电池和磁铁半径很接近，因此可以认为三者轴线共线，两端磁场对称幅向分布，由左手安培定则可以判断出力的方向，由于环形电流也具有极对称性，因此环形电流所受的安培力在垂直于轴线方向的平面内相互抵消，只存在沿轴线方向的力.因此，一块磁铁上所受的磁场力为F=2F1，整个小火车受到的磁场力为F1=∫badF，小火车在电磁力力的作用下开始运动.

2实验用具

干电池、铜线、汝铁硼磁铁、纽扣电池、红外发光管、LED、导线、木块垫块等.

3实验步骤

（1）将一节七号电池两端各附着直径为12mm的强力磁铁，并保证吸附相同的磁极，制成小火车.

（2）将裸铜线绕成直径为20mm的裸铜线圈，分别制作450mm顺时针缠绕铜线圈两根，以及1000mm逆时针缠绕铜线圈一根.

（3）将装置按照实验实物图（图4）安装在木质底板上，并用胶粘合固定.

（4）在顺时针缠绕平行铜线圈两端加上红外发光管，以及LED灯，做成光电开关，当小火车通过时LED灯亮.

（5）将电池做成的小火车放在装置上，观察实验现象.

4實验结果及分析

4.1磁铁数量对小车运行速度的影响

实验数据如表1所示.在一定范围内，小火车跑完全程所需要的时间t随磁铁个数的增加而减少，超过某个值后，小火车所需时间t增加，小火车的速度随磁铁数量的变化规律为：小火车速度先随磁铁的数量增加而增加，增大到某一值后随磁铁数量的增加而减小.

理论解释：在磁铁数量比较少时，小火车推力主要由电池决定，磁铁对其影响较小；磁铁个数较多时，小火车受到的磁场力较大，速度较快，但是磁铁个数增多也会影响小火车体系的质量，以及小火车与线圈间的摩擦力很大，合外力减小，小火车的加速度减小，小火车的速度逐渐减慢.

4.2电池电压对小车运行速度的影响

实验可观察到，小火车在运行几次后运行速度明显减慢，由于实验小火车电池处于近似短路状态运行，所以小火车运行几次后，电池电压降低很快，电池内阻增大，电流减小，从而小车速度减慢.但是，小火车的速度随电池电压的增加而增加.

5小结

本教具可应用于人教版高中物理选修3-1电磁学部分学习.在常规物理教学中有以下应用：一是教学情景引入，由于实验现象明显，操作简单，可以极大地激发学生的好奇心，激发学生的求知欲望；二是补充课程资源，鼓励学生动手创作，通过实验使学生进一步理解电磁间的相互作用，开发学生思维，鼓励学生动手创作.

参考文献：

[1]张建明.自制电磁驱动小火车[J].中学物理，2018，36（9）：54.