磁懸浮導軌上的力學實驗誤差分析

李爽 周曉紅 胡永金 毛書哲

摘 要

磁懸浮實驗套裝在一定程度上普及了磁懸浮技術的應用，但是由于儀器設計的自身限制，使得實驗誤差比較大，文章在分析了引起實驗誤差的基礎上，既對實驗指導提出了可行性意見，又在儀器研發的設計上給出了合理的建議。

關鍵詞

磁懸浮;DHSY-1型;誤差分析;儀器改進

中圖分類號： P204 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A

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

隨著科技的發展，磁懸浮技術的應用越來越廣泛，為了使學生在物理實驗學習中了解并掌握磁懸浮技術，我校大學物理實驗教學中心引入了磁懸浮實驗儀器套裝，開設相關的力學實驗，取得了一定的教學效果。但是在實驗過程中，也發現該磁懸浮儀器套裝在設計上有一定的局限性，在數據測量中存在一定的誤差。

1 儀器介紹

本實驗室采用的磁懸浮儀器套裝是DHSY-1型，實驗裝置如圖1所示，有導軌、滑塊、光電門、計數器等配件組成，導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，即在槽軌底部的中心軸線嵌入一層永磁體（釹鐵硼NdFeB磁鋼），同時在滑塊的底部安裝同極性的磁鋼，形成兩組帶狀磁場，如下圖2所示。滑塊與導軌是同極性磁鐵，上下之間產生斥力，使滑塊浮起來，避免相互接觸，從而減少了運動的阻力此外，滑塊在導軌槽內滑行，為了減小與兩側擋板摩擦，在滑塊的兩側設計有滑輪。

2 誤差分析與儀器設計

2.1 滑輪與兩側擋板間的摩擦

滑塊在導軌內運行時，為了保證滑塊在運行過程中不發生傾斜，處于穩定狀態，必須使其與兩側擋板接觸。雖然在設計滑輪的設計時，它是可以內外伸縮的，滑輪與擋板的動摩擦因數也很小，但是有些同學在實驗過程中，不調節滑輪的位置，致使滑輪與擋板密切接觸，使得摩擦力增大，滑塊上滑輪與導軌位置上方俯瞰圖如下圖3所示。

2.2 滑塊在運行過程中上下浮動

由于滑塊運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。重力始終不會發生變化，但是在此過程中磁力均勻，滑塊在運行時磁力有大有小，使得滑塊在運行時“上下顛簸”，使得測量數據產生誤差。

3 儀器改進設計

基于上述分析，設計并制作出一個用于實驗且誤差小的磁懸浮裝置，如下圖5所示。該裝置包括測量尺、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側面均設置有釹鐵硼磁片，槽狀滑行器的內壁設置有釹鐵硼磁片，兩磁片磁性相同，測量尺與梯形滑軌平行，且沿梯形滑軌的長度方向設置，受力比較均勻。

4 實驗建議與總結

由于現有磁懸浮儀器套裝在設計方面的固有缺陷，使得實驗數據誤差較大，除了通過改進實驗儀器減小測量誤差外，教師在進行實驗指導是也要做到以下幾點：

（1）在進行實驗指導時，將實驗儀器的設計理念講解清楚，使學生在實驗操作中能夠明確知道自己的操作是否正確。

（2）實驗指導教師應該根據學生的情況及時糾正其錯誤操作。

（3）在推動滑塊時要求使用合適的速度進行實驗。

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