電磁小火車(chē)原理理論分析.

1、電磁小火車(chē)實(shí)驗(yàn)電磁小火車(chē)實(shí)驗(yàn)上海上海第二工業(yè)大學(xué)第二工業(yè)大學(xué)15光電光電A1 : 桂進(jìn)雄桂進(jìn)雄研究步驟：研究步驟：（1）實(shí)驗(yàn)材料選擇及要求（2）實(shí)驗(yàn)裝置制作方法及要求（3）實(shí)驗(yàn)預(yù)先探究（4）電路原理分析（5）實(shí)驗(yàn)操作及現(xiàn)象（6）動(dòng)力原理分析（宏觀與微觀）（7）影響因素及相關(guān)參量（8）功率因素的相關(guān)參量及理論分析（9）具體的數(shù)學(xué)表達(dá)式推導(dǎo)實(shí)驗(yàn)材料：實(shí)驗(yàn)材料： 1.5V干電池一節(jié)干電池一節(jié) 細(xì)銅線細(xì)銅線 扁圓住狀銣鐵硼磁鐵石兩個(gè)扁圓住狀銣鐵硼磁鐵石兩個(gè)操作操作問(wèn)題問(wèn)題： 銅導(dǎo)線需要有什么要求？ 磁鐵石的選擇有什么要求？操作方法操作方法： 將銅導(dǎo)線繞于一個(gè)直徑大于磁鐵石直徑的光滑圓柱管上制成類(lèi)似彈簧

2、狀的螺旋線圈，各環(huán)銅線互不相碰。最后將線圈抽出制成實(shí)驗(yàn)螺旋線圈。再將磁鐵石吸在電池兩端做成小火車(chē)。 實(shí)驗(yàn)問(wèn)題探究：實(shí)驗(yàn)問(wèn)題探究：系統(tǒng)動(dòng)力從何而來(lái)？電池兩端磁鐵安放應(yīng)該如何？展開(kāi)如下探究：展開(kāi)如下探究：先用有絕緣皮的導(dǎo)線制作一個(gè)簡(jiǎn)易的螺旋管，然后用一個(gè)帶孔的磁鐵（磁極為正反兩面）套在一個(gè)光滑棒上伸入螺線管內(nèi)，然后通電，滑動(dòng)磁鐵在螺線管中的位置探究磁鐵受力情況。探究發(fā)現(xiàn)：探究發(fā)現(xiàn)：磁鐵的受力在螺線管兩端有明顯的表現(xiàn)，在螺線管中部沒(méi)有明顯的受力運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)。再次用電池磁鐵組成的系統(tǒng)做預(yù)先實(shí)驗(yàn)：再次用電池磁鐵組成的系統(tǒng)做預(yù)先實(shí)驗(yàn)：調(diào)整磁鐵方向，以及改變電流方向探究小火車(chē)受力情況。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：磁鐵兩

3、極要同極相對(duì)才有單方向的受力；內(nèi)部相對(duì)的極性與小火車(chē)運(yùn)動(dòng)方向有關(guān)；電流方向也與小火車(chē)的運(yùn)動(dòng)方向有關(guān)；進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象做出分析：進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象做出分析：小火車(chē)能順利的跑起來(lái)小火車(chē)能順利的跑起來(lái)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：小小火車(chē)動(dòng)了起來(lái)，并發(fā)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)方向只與兩磁鐵石相對(duì)的極火車(chē)動(dòng)了起來(lái)，并發(fā)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)方向只與兩磁鐵石相對(duì)的極性以及螺旋線圈繞向有關(guān)。（如果固定線圈繞向以及磁鐵性以及螺旋線圈繞向有關(guān)。（如果固定線圈繞向以及磁鐵的安放，那么這個(gè)小火車(chē)就有一個(gè)固定的車(chē)頭，電池正極的安放，那么這個(gè)小火車(chē)就有一個(gè)固定的車(chē)頭，電池正極或負(fù)極）?；蜇?fù)極）。實(shí)驗(yàn)分析：實(shí)驗(yàn)分析：調(diào)換火車(chē)頭時(shí)。相對(duì)電池：調(diào)換了正負(fù)極，電

4、流方向隨著調(diào)換火車(chē)頭時(shí)。相對(duì)電池：調(diào)換了正負(fù)極，電流方向隨著調(diào)換小火車(chē)方向而改變。相對(duì)磁鐵：兩磁鐵的磁極相對(duì)情調(diào)換小火車(chē)方向而改變。相對(duì)磁鐵：兩磁鐵的磁極相對(duì)情況并沒(méi)改變（調(diào)換火車(chē)頭能使小火車(chē)返回）；況并沒(méi)改變（調(diào)換火車(chē)頭能使小火車(chē)返回）；力的相互作用是發(fā)生在磁鐵與線圈之間的，所以磁鐵的極力的相互作用是發(fā)生在磁鐵與線圈之間的，所以磁鐵的極性方向以及螺旋線圈的繞向可調(diào)整火車(chē)頭是電池的正極還性方向以及螺旋線圈的繞向可調(diào)整火車(chē)頭是電池的正極還是負(fù)極是負(fù)極扁圓住磁鐵磁場(chǎng)分布分析磁場(chǎng)分布：分析磁場(chǎng)分布：螺旋線圈磁場(chǎng)分布 通電有效的螺旋線圈兩端應(yīng)為電池兩端附近處 可以從圖中看出，小火車(chē)的受力位置為兩個(gè)磁鐵

5、，可以簡(jiǎn)單的認(rèn)為磁鐵是位于通電螺旋線圈兩端，并在之外。這樣就可與把這段線圈等效為一個(gè)條形磁鐵，電池兩端的磁鐵就分別與這個(gè)條形磁鐵兩端相吸引和相排斥，然后這兩個(gè)力朝向同一個(gè)方向構(gòu)成一個(gè)合力推動(dòng)小火車(chē)前行。分析影響小火車(chē)功率和速度的相關(guān)參量：分析影響小火車(chē)功率和速度的相關(guān)參量：摩擦因素摩擦因素導(dǎo)線電阻導(dǎo)線電阻單位長(zhǎng)度螺旋線圈的匝數(shù)單位長(zhǎng)度螺旋線圈的匝數(shù)螺旋線圈半徑螺旋線圈半徑電池內(nèi)阻電池內(nèi)阻磁鐵的磁場(chǎng)強(qiáng)度及導(dǎo)電性能磁鐵的磁場(chǎng)強(qiáng)度及導(dǎo)電性能電池及磁鐵質(zhì)量電池及磁鐵質(zhì)量 總之小火車(chē)要跑的快，所受的合力就要大。而合力的產(chǎn)生是來(lái)源于磁鐵與線圈的相互作用，這個(gè)合力的大小就取決于兩者的磁場(chǎng)強(qiáng)度。對(duì)于磁鐵的磁力

6、大小是屬于磁鐵的固有性質(zhì)，線圈所產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度就與電流及線圈纏繞密度（螺旋線圈單位長(zhǎng)度的匝數(shù)）有直接的關(guān)系。從運(yùn)動(dòng)學(xué)角度，摩擦因素對(duì)它的速度也有直接的影響。進(jìn)一步的理論分析：進(jìn)一步的理論分析：對(duì)于繞的很密的螺旋線圈，每匝通電線圈都可看成圓電流，對(duì)于繞的很密的螺旋線圈，每匝通電線圈都可看成圓電流，在線圈軸線上的每點(diǎn)的磁場(chǎng)強(qiáng)度等于各匝線圈在該點(diǎn)產(chǎn)生磁在線圈軸線上的每點(diǎn)的磁場(chǎng)強(qiáng)度等于各匝線圈在該點(diǎn)產(chǎn)生磁感應(yīng)強(qiáng)度的矢量和。感應(yīng)強(qiáng)度的矢量和。微觀動(dòng)力原理及微觀電學(xué)分析：在小火車(chē)啟動(dòng)的瞬間（速度為零）電流方向就是粒子相對(duì)磁場(chǎng)的方向（沿y軸），洛倫茲力也就垂直于導(dǎo)線（沿x軸）。此時(shí)洛倫茲力不會(huì)影響電流，只是

7、從宏觀上表現(xiàn)出安培力，這個(gè)安培力的反作用力也就是小火車(chē)的動(dòng)力。此刻電路為純電阻電路。小火車(chē)啟動(dòng)后，載流粒子又有了一個(gè)沿x軸方向的速度，這個(gè)速度產(chǎn)生的洛倫茲力沿y軸方向，并且與電流方向相反，形成了一個(gè)電流阻力從而抑制了電流（非純電阻）。對(duì)線圈中載流粒子的分析：導(dǎo)線中的一些載流粒子所處的磁場(chǎng)必然會(huì)有一個(gè)磁場(chǎng)分量過(guò)原點(diǎn)垂直于xoy面，從而也有一個(gè)洛倫茲力分量平行于xoy平面對(duì)載流粒子產(chǎn)生影響（宏觀表現(xiàn)出力的作用，微觀影響電流）。小火車(chē)的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致了洛倫茲力產(chǎn)生分量沿電流的反方向使得電流減弱，從而總功率減弱。電流的減弱使線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)減弱，從而使動(dòng)力減弱，直到與摩擦力相等達(dá)到勻速運(yùn)動(dòng)。這個(gè)影響電流的洛倫

8、茲力也就形成了一個(gè)反電動(dòng)勢(shì)與外部電壓相消達(dá)到減弱電流的作用。我們通過(guò)如下實(shí)驗(yàn)來(lái)證明反電動(dòng)勢(shì)的存在，于是根據(jù)這個(gè)理論列出相關(guān)表達(dá)式。我們使螺旋線圈豎起來(lái)，然后用一組磁鐵從上端拋下。用萬(wàn)用表調(diào)到電壓檔或電流檔最小量程，再把表筆接到螺旋線圈兩端。對(duì)于整個(gè)小火車(chē)系統(tǒng)（包含線圈）對(duì)外是沒(méi)有機(jī)械功率輸出的，機(jī)械功率是電池和磁鐵相對(duì)于線圈來(lái)說(shuō)的。E=BLv=kvF=BLI=kI小火車(chē)的整個(gè)系統(tǒng)也相當(dāng)于一個(gè)線性電機(jī)（直線電機(jī)）。螺旋線圈相當(dāng)于電機(jī)定子（初級(jí)），電池和磁鐵相當(dāng)于電機(jī)轉(zhuǎn)子（次級(jí)）?？梢钥闯梢慌_(tái)旋轉(zhuǎn)電機(jī)按徑向剖開(kāi)，并展成平面而成。小火車(chē)的運(yùn)行就相當(dāng)于一臺(tái)無(wú)負(fù)載的直線電機(jī)運(yùn)行。它的功率因素也和直線電機(jī)

9、類(lèi)似。自然也和普通的電機(jī)類(lèi)似。從微觀上分析系統(tǒng)受力：從微觀上分析系統(tǒng)受力：對(duì)磁體：對(duì)磁體：近代科學(xué)實(shí)驗(yàn)表明，組成分子或原子中的電子，不僅存在繞原子核的軌道近代科學(xué)實(shí)驗(yàn)表明，組成分子或原子中的電子，不僅存在繞原子核的軌道運(yùn)動(dòng)，還存在自旋運(yùn)動(dòng)。這兩種運(yùn)動(dòng)都能產(chǎn)生磁效應(yīng)，把分子或原子看成運(yùn)動(dòng)，還存在自旋運(yùn)動(dòng)。這兩種運(yùn)動(dòng)都能產(chǎn)生磁效應(yīng)，把分子或原子看成一個(gè)整體，分子或原子中各電子對(duì)外界產(chǎn)生的磁效應(yīng)的總和，可等效于一一個(gè)整體，分子或原子中各電子對(duì)外界產(chǎn)生的磁效應(yīng)的總和，可等效于一個(gè)圓電流，稱(chēng)為分子電流。這種分子電流的磁矩稱(chēng)為分子磁矩，在忽略原個(gè)圓電流，稱(chēng)為分子電流。這種分子電流的磁矩稱(chēng)為分子磁矩，在忽略原子核中質(zhì)子和中子自旋磁矩后，實(shí)際上它是電子的軌道磁矩和電子自旋磁子核中質(zhì)子和中子自旋磁矩后，實(shí)際上它是電子的軌道磁矩和電子自旋磁矩的矢量和。矩的矢量和。當(dāng)物體中的這些分子電流有了一定規(guī)律，不再雜亂無(wú)章就從宏觀上表現(xiàn)出磁性電磁相互作用的本質(zhì)是發(fā)生在電荷之間的，因此小火車(chē)的受力運(yùn)動(dòng)可以從電荷受力情況上來(lái)分析。先考慮扁圓住磁鐵內(nèi)部的電子運(yùn)動(dòng)規(guī)律，然后把它看成在螺旋線圈所產(chǎn)生的磁場(chǎng)中的電荷運(yùn)動(dòng)受力（洛倫茲力）情況?？梢苑治?/p>