磁力小火车答辩最终版

1、磁力小火车磁力小火车 物理学院 物理学院 土木学院土木学院目目录录一、赛题回顾二、赛题分析三、实验原理四、实验设计五、制作过程六、效果展示七、分析总结八、参考文献一、赛题回顾两个扁圆柱形磁铁与一个柱状的电池两端相接，当这个体系放在铜线圈内部且与铜接触的时候，它会开始运动。解释这个现象并且研究相关参量怎么影响火车的速度和功率。二、赛题分析 小火车由静止变为运动，运动状态发生改变必然受到力的作用，而与磁铁相连的电池体系可能受到的力为：摩擦力、空气阻力及铜线圈在通电情况下产生的磁场与磁铁间的作用力。上述力中可能作为小火车动力的只有铜线圈在通电情况下产生的磁场与磁铁间的作用力，所以影响小火车运动的力主

2、要有摩擦力、空气阻力（较小可忽略）及铜线圈产生的磁场与磁铁间的作用力。相关参量即通过影响小火车这两个受力影响小火车的速度及功率，通过设计对照试验来研究不同参量对小火车速度和功率的影响。三、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 实 器材来看，电池运动的动力应该是磁场力。下图中，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，此处的磁场为非匀强磁场，如图所示。电池两端所吸附的磁铁可以等效为一个小的通电螺线管，如下图所示，因此当磁铁、电池与铜线形成回路时，磁铁中可以

3、看作通有无数的环形电流. 四、实验设计作品设计主要采用控制变量法，由于小火车运动的原因在于线圈产生的磁场与磁铁间具有力的作用，因此主要是通过改变线圈以及磁铁产生的磁场强度来影响小火车的运动速度及功率。由于在通电电流为I时，线圈产生的磁场大小为B=nI，其中n是单位长度内线圈的匝数；为真空磁导率，为常数；I为通过线圈的电流大小，由电池电压决定。 因此影响线圈磁场强度的因素有：1、单位长度内线圈匝数n，即线圈密度；2、通过线圈的电流大小I，即电池电压。通过以上分析可知，影响小火车运动速度及功率的第三个主要因素是磁铁数量，因此我们可以设计三组实验，分别探究线圈密度、磁铁数量、电压大小参量对小火车运动

4、速度及功率的影响：线圈密度 （以20厘米的匝数衡量）在其他条件不变的情况下，用铜线分别绕出三种相同长度不同匝数的铜线圈，分别将小火车在线圈中运动，测量计算小火车的速度和功率。磁铁数量在其他条件不变的情况下，将干电池两端分别放置三块、四块、五块磁铁，分别计算出小火车的运动速度和功率，比较得出磁铁数量对小火车运动的影响。电压大小在其他条件不变的情况下，通过在干电池两端串联纽扣电池改变电压，实验组干电池两端分别串联一个纽扣电池，对照组串联等质量的扁圆柱形铁块，测量并计算比较小火车的速度和功率。五、制作过程材料：干电池、铜线（2.5mm)、磁铁制作步骤：将一节五号电池两端各附着三块直径15mm强力磁铁

5、，并保证吸附相同磁极，将直径2.5mm的裸铜线绕制成长度20cm直径比电池略大的铜线圈。将电池与磁铁做成的小火车装置，用天平测出小火车质量m，放入铜线圈，观察小火车运动，通过秒表测定小火车运行时间t，计算出小火车的速度v（因为实验要求定性分析，故可认为各次实验中小火车均为匀速率运动，计算速率的公式可采用v=l/t，l=20cm），由于小火车视为匀速运动，由机车功率公式计算出小火车功率p=fv=umgv（其中u为小火车与线圈间的滑动摩擦因素，为常量，故小火车功率只与小火车质量m和小火车运动速率v有关）。 对照试验：采用相同的电池、磁铁及铜线。1、改变铜线圈的匝数，进行多组同样的实验，测量并计算速

6、度和功率。2、改变电池两端吸附的磁铁数量，观察小火车的运动情况，测量并计算速度和功率。3、通过在电池两端串联纽扣电池改变电压大小，测量并计算速度和功率。六、效果展示七、分析总结u磁铁数量 测量数据表磁铁数磁铁数量（量（n）2 23 34 45 56 67 78 89 910101111时间（t/S)4.042.912.512.362.041.521.881.992.032.18小火车质量（m/g）18222630343842465054m/t4.46 7.56 10.36 12.71 16.67 25.00 22.34 23.12 24.63 24.77 由上述实验数据作出t-n图像 t-n图

7、从上图可以看出：在一定范围内，小火车跑完全程所需时间t随磁铁个数的增加而减少，超过这个值后，小火车所需时间t增加，v=L/t可知，小火车速度随磁铁数量的变化规律为：小火车速度先随磁铁数量增加而增加，然后随速度的增加而小。 由于我们认为p=fv=umgv=umgL/t，作出 m/t-n图如下图所示：由上图可知m/t随磁铁数量n的增加而增加（曲线中第六点应为测量误差所致），而、g、L均为常数，所以功率p随磁铁数量n的增加而增加。m/t-n图u线圈密度线圈密度（n/圈/m)400300200时间t/s2.042.482.99小火车质量m/g343434m/t16.67 13.71 11.37 同理可

8、以做出m/t-n曲线图和t-n曲线图：由图可以看出，小火车的速度和功率均随线圈密度的增加而增加。 理论解释：由于线圈产生的磁场的磁感应强度大约为B=nI，即线圈密度n越大，磁感应强度B越大，小火车所受到的安培力越大，同时由于线圈过于稀疏，磁铁容易被线圈卡住，使摩擦力增大，从而影响小火车的速度和功率。t-n图m/t-n图u电池电压电池电压U/V1.534.56时间t/s2.041.881.761.70小火车质量m/g34374043m-t16.67 19.68 22.73 25.29 同理可以做出m/t-U曲线图和t-U曲线图：t-U图m/t-U由图可以看出，小火车的速度和功率均随电池电压的增加而增加。但小火车速度增加的幅度逐渐减小，可以推测当电池过多时，也会像增加磁铁个数一样因为增加小车质量而使小火车速度减慢。理论