磁懸浮導(dǎo)軌上的力學(xué)實(shí)驗(yàn)誤差分析

李爽 周曉紅 胡永金 毛書哲

摘 要

磁懸浮實(shí)驗(yàn)套裝在一定程度上普及了磁懸浮技術(shù)的應(yīng)用，但是由于儀器設(shè)計(jì)的自身限制，使得實(shí)驗(yàn)誤差比較大，文章在分析了引起實(shí)驗(yàn)誤差的基礎(chǔ)上，既對(duì)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)提出了可行性意見，又在儀器研發(fā)的設(shè)計(jì)上給出了合理的建議。

關(guān)鍵詞

磁懸浮;DHSY-1型;誤差分析;儀器改進(jìn)

中圖分類號(hào)： P204 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457 . 2020 . 18 . 12

隨著科技的發(fā)展，磁懸浮技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛，為了使學(xué)生在物理實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)中了解并掌握磁懸浮技術(shù)，我校大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心引入了磁懸浮實(shí)驗(yàn)儀器套裝，開設(shè)相關(guān)的力學(xué)實(shí)驗(yàn)，取得了一定的教學(xué)效果。但是在實(shí)驗(yàn)過程中，也發(fā)現(xiàn)該磁懸浮儀器套裝在設(shè)計(jì)上有一定的局限性，在數(shù)據(jù)測(cè)量中存在一定的誤差。

1 儀器介紹

本實(shí)驗(yàn)室采用的磁懸浮儀器套裝是DHSY-1型，實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，有導(dǎo)軌、滑塊、光電門、計(jì)數(shù)器等配件組成，導(dǎo)軌主體部分呈槽軌狀。此儀器套裝采用的是最基本的永磁懸浮技術(shù)，即在槽軌底部的中心軸線嵌入一層永磁體（釹鐵硼NdFeB磁鋼），同時(shí)在滑塊的底部安裝同極性的磁鋼，形成兩組帶狀磁場(chǎng)，如下圖2所示?；瑝K與導(dǎo)軌是同極性磁鐵，上下之間產(chǎn)生斥力，使滑塊浮起來，避免相互接觸，從而減少了運(yùn)動(dòng)的阻力此外，滑塊在導(dǎo)軌槽內(nèi)滑行，為了減小與兩側(cè)擋板摩擦，在滑塊的兩側(cè)設(shè)計(jì)有滑輪。

2 誤差分析與儀器設(shè)計(jì)

2.1 滑輪與兩側(cè)擋板間的摩擦

滑塊在導(dǎo)軌內(nèi)運(yùn)行時(shí)，為了保證滑塊在運(yùn)行過程中不發(fā)生傾斜，處于穩(wěn)定狀態(tài)，必須使其與兩側(cè)擋板接觸。雖然在設(shè)計(jì)滑輪的設(shè)計(jì)時(shí)，它是可以內(nèi)外伸縮的，滑輪與擋板的動(dòng)摩擦因數(shù)也很小，但是有些同學(xué)在實(shí)驗(yàn)過程中，不調(diào)節(jié)滑輪的位置，致使滑輪與擋板密切接觸，使得摩擦力增大，滑塊上滑輪與導(dǎo)軌位置上方俯瞰圖如下圖3所示。

2.2 滑塊在運(yùn)行過程中上下浮動(dòng)

由于滑塊運(yùn)行過程中在豎直方向上受到的是重力和磁力的作用，其受力分析示意圖如上圖4所示。重力始終不會(huì)發(fā)生變化，但是在此過程中磁力均勻，滑塊在運(yùn)行時(shí)磁力有大有小，使得滑塊在運(yùn)行時(shí)“上下顛簸”，使得測(cè)量數(shù)據(jù)產(chǎn)生誤差。

3 儀器改進(jìn)設(shè)計(jì)

基于上述分析，設(shè)計(jì)并制作出一個(gè)用于實(shí)驗(yàn)且誤差小的磁懸浮裝置，如下圖5所示。該裝置包括測(cè)量尺、梯形滑軌和與梯形滑軌形狀相匹配的槽狀滑行器，槽狀滑行器位于梯形滑軌上方且槽口朝向梯形滑軌。梯形滑軌的上表面以及兩個(gè)側(cè)面均設(shè)置有釹鐵硼磁片，槽狀滑行器的內(nèi)壁設(shè)置有釹鐵硼磁片，兩磁片磁性相同，測(cè)量尺與梯形滑軌平行，且沿梯形滑軌的長度方向設(shè)置，受力比較均勻。

4 實(shí)驗(yàn)建議與總結(jié)

由于現(xiàn)有磁懸浮儀器套裝在設(shè)計(jì)方面的固有缺陷，使得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差較大，除了通過改進(jìn)實(shí)驗(yàn)儀器減小測(cè)量誤差外，教師在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)是也要做到以下幾點(diǎn)：

（1）在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)時(shí)，將實(shí)驗(yàn)儀器的設(shè)計(jì)理念講解清楚，使學(xué)生在實(shí)驗(yàn)操作中能夠明確知道自己的操作是否正確。

（2）實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師應(yīng)該根據(jù)學(xué)生的情況及時(shí)糾正其錯(cuò)誤操作。

（3）在推動(dòng)滑塊時(shí)要求使用合適的速度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

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