氣墊導軌裝置改進為永磁懸浮導軌的研究

摘 要 本文敘述了一種將氣墊導軌裝置改進為永磁懸浮導軌的方法，解決了永磁懸浮功能實現的困難，強調了永磁懸浮技術的優點和重要性，擴展了氣墊導軌裝置的應用范圍，為進一步的直線電磁數字驅動研究奠定基礎，利用科技的進步為社會的環保節能做出貢獻。

關鍵詞 氣墊導軌 永磁懸浮 直線驅動

在物理實驗中，由于摩擦的存在，導致誤差往往很大，甚至使某些實驗無法進行。若采用氣墊導軌等裝置，可使這一問題得以較好的解決。但是氣墊導軌應保持表面的平直度和光潔度，實驗前必須用紗布沾少許酒精擦洗導軌表面和滑塊內表面。實驗結束后，勿將滑塊久放在導軌上，以免導軌表面拉傷，所有附件都應放入附件盒，用塑料套把導軌蓋好。由此可見，對氣墊導軌及附件的維護工作是相當繁重的。如果采用永磁懸浮技術加以改進，可直接省去以上維護工作，并舍掉對氣泵的依賴，實驗過程的噪音污染大大減少，電能消耗降低90%以上，還可以進一步探究直線電磁驅動等先進科技技術。

一、首先觀察導軌裝置的構造如下：

1、導軌 導軌是由長1.2～1.5m的角鋁合金制成，導軌面上均勻分布著直徑約0.4mm的噴氣孔，導軌的一端裝有進氣孔、另一端裝有滑輪，兩端內側都裝有緩沖彈簧，整個導軌安裝在工字鋼梁上。

2、光電門安置在導軌側面，它由發光管和光敏管組成，利用光敏管受光照和不受光照時電勢的變化，產生電脈沖來控制數字毫秒計的“計”和“停”，進行計時。

3、滑塊由角型鋁材制成，其兩側內表面和導軌面精確吻合，兩端裝有緩沖器，其上可以加裝擋光片、附加重物等，以供各種不同實驗的需要。

4、調節螺釘與墊塊用于調整水平程度。導軌的一端是單腳螺釘，另一端是雙腳螺釘，主要供調節導軌水平使用，墊塊用來改變氣墊導軌的斜度。根據要求可將不同尺寸的墊塊放在導軌單腳螺釘下得到不同斜度的斜面。一般滑塊被托起的高度約為10～100mm。

5、標尺被固定在導軌一側，在定位窗上可讀出光電門的位置。

6、氣源連接端口，用橡皮管將其與氣源相連，并用開關進行控制。清潔的空氣從此進入導軌內，由導軌表面上的小孔噴出。

7、按照保持儀器原有功能不變的原則對儀器進行如下改進：將氣源端口拆開，向導軌空腔內安入截面為梯形的木制長桿，其上表面與側面分別帖附極性相反的釹鐵硼永磁片，重新安裝好氣源端口。在滑塊的側面和上面同樣貼附導軌內部極性相反的釹鐵硼永磁片，這樣滑塊就可以在槽型磁力勢軌上懸浮滑動，技術的核心在于通過各磁片位置的合理分布，實現無阻力滑動，并且防止脫軌的發生。

二、下面舉例利用永磁懸浮導軌裝置完成一系列常規實驗

首先對光電計時系統的擋位和功能進行正確設置。將數字毫秒計的“光控”信號輸入端和二光電門相聯，并選用、1ms檔；檢查光電門是否正常工作，然后對軌道調平。

（1）粗調：把二光電門置于導軌中部，相距60cm，離軌端距離大致相同。打開氣源，放上滑塊，調節底腳螺絲，直至滑塊在氣軌上不再自由滑動。（2）細調：將滑塊從導軌左端輕推一下，測其通過電門的時間、，調節底腳螺絲，使二者盡量相等，又從右端推一下滑塊，測出擋光時間′和′，同樣調節使二者盡量接近，則可認為導軌的水平已調好。

1、速度、加速度的測量：在滑塊的一端系一條細線，繞過氣軌一端的滑輪后系一重物，由滑塊、托盤和砝碼構成的運動系統在重力作用下作直線加速運動。在導軌上相距s的兩處放置二光電門，若測得此系統在重力mg作用下，滑塊通光電門時的速度分別為、，在滑塊上放置一中間有缺口的擋光片，使缺口正好在光電管前通過，用數字毫秒計檔測出滑塊和擋光片在光電門中通過時，二次擋光的時間間隔 ，則可得到該小間隔的平均速度，擋光片二前沿間距離為固定值 ，測出二光電門的距離S，并用游標卡尺測量擋光片上的二前沿間的距離 。因 較小，則可認為此平均速度為擋光片二前沿的中點通過光電門時，滑塊M的即時速度。只要測出了擋光片通過二光電門的時間間隔 和 ，則可得對應的速度為、，可解得運動系統的加速度a。

2、碰撞研究。動量守恒定律指出，如果一力學系統所受外力的矢量和為零，則系統的總動量保持不變，若系統上某一方向上所受合外力為零，則系統在該方向上的總動量將保持不變（即分動量守恒）。在實驗中，利用導軌上兩滑塊的對心碰撞來驗證動量守恒定律.忽略滑塊與導軌之間的摩擦力，則質量分別為和的兩滑塊之間在水平方向只受互相碰撞的作用內力，因而碰撞前后的總動量保持不變，若以、，、分別表示它們碰撞前后的速度，則由動量守恒定律，在碰撞方向上有+=+。

（1）完全彈性碰撞。

在完全彈性碰撞中，碰撞前后不僅系統的動量守恒，而且機械能也守恒，實驗時，在兩滑塊的相碰端裝上彈簧片，當兩滑塊相碰時，彈簧片發生彈性形變后迅速恢復原狀，并將滑塊彈開，系統的機械能近似沒有損失，即兩滑塊的總動能不變。

調平導軌，檢查光電系統（選擇、1ms檔）使之能正常測量。

取帶有緩沖彈簧的兩滑塊稱出其質量和，并將放在兩光電門中間，使其靜止，滑塊放在導軌一端，將其輕輕推向，記下經過光電門1時的時間間隔 t10，兩滑塊相碰后，以速度、以速度運動。記下滑塊與經過各自光電門的時間和（注意在滑塊經過光電門Ⅱ后，應使其靜止于軌端，重復上述測量3～5次。從以上各次測量結果計算碰撞前后的動量和，驗證碰撞前后的動量是否守恒。

（2）完全非彈性碰撞。

在兩滑塊的相碰面上粘上橡皮泥，碰撞后兩滑塊粘在一起以同一速度運動，即可實現完全非彈性碰撞。

首先保持導軌水平，在兩滑塊的相碰端粘上橡皮泥，稱出兩滑塊的質量和。將靜止于兩光電門之間，將放在導軌一端輕輕推動去碰撞，測量碰撞前后的速度，重測3～5次。計算各次碰撞前后的動量和，即可驗證動量守恒。

參考文獻：

[1]周殿清.大學物理實驗[M].武漢：武漢大學出版社，2002：48-49.

[2]張志東.大學物理實驗[M].北京：科學出版社，2004：120-121.

（作者單位：吉林建筑大學基礎科學部）