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摘 要 本文叙述了一种将气垫导轨装置改进为永磁悬浮导轨的方法，解决了永磁悬浮功能实现的困难，强调了永磁悬浮技术的优点和重要性，扩展了气垫导轨装置的应用范围，为进一步的直线电磁数字驱动研究奠定基础，利用科技的进步为社会的环保节能做出贡献。
关键词 气垫导轨 永磁悬浮 直线驱动
在物理实验中，由于摩擦的存在，导致误差往往很大，甚至使某些实验无法进行。若采用气垫导轨等装置，可使这一问题得以较好的解决。但是气垫导轨应保持表面的平直度和光洁度，实验前必须用纱布沾少许酒精擦洗导轨表面和滑块内表面。实验结束后，勿将滑块久放在导轨上，以免导轨表面拉伤，所有附件都应放入附件盒，用塑料套把导轨盖好。由此可见，对气垫导轨及附件的维护工作是相当繁重的。如果采用永磁悬浮技术加以改进，可直接省去以上维护工作，并舍掉对气泵的依赖，实验过程的噪音污染大大减少，电能消耗降低90%以上，还可以进一步探究直线电磁驱动等先进科技技术。
一、首先观察导轨装置的构造如下：
1、导轨 导轨是由长1.2～1.5m的角铝合金制成，导轨面上均匀分布着直径约0.4mm的喷气孔，导轨的一端装有进气孔、另一端装有滑轮，两端内侧都装有缓冲弹簧，整个导轨安装在工字钢梁上。
2、光电门安置在导轨侧面，它由发光管和光敏管组成，利用光敏管受光照和不受光照时电势的变化，产生电脉冲来控制数字毫秒计的“计”和“停”，进行计时。
3、滑块由角型铝材制成，其两侧内表面和导轨面精确吻合，两端装有缓冲器，其上可以加装挡光片、附加重物等，以供各种不同实验的需要。
4、调节螺钉与垫块用于调整水平程度。导轨的一端是单脚螺钉，另一端是双脚螺钉，主要供调节导轨水平使用，垫块用来改变气垫导轨的斜度。根据要求可将不同尺寸的垫块放在导轨单脚螺钉下得到不同斜度的斜面。一般滑块被托起的高度约为10～100mm。
5、标尺被固定在导轨一侧，在定位窗上可读出光电门的位置。
6、气源连接端口，用橡皮管将其与气源相连，并用开关进行控制。清洁的空气从此进入导轨内，由导轨表面上的小孔喷出。
7、按照保持仪器原有功能不变的原则对仪器进行如下改进：将气源端口拆开，向导轨空腔内安入截面为梯形的木制长杆，其上表面与侧面分别帖附极性相反的钕铁硼永磁片，重新安装好气源端口。在滑块的侧面和上面同样贴附导轨内部极性相反的钕铁硼永磁片，这样滑块就可以在槽型磁力势轨上悬浮滑动，技术的核心在于通过各磁片位置的合理分布，实现无阻力滑动，并且防止脱轨的发生。
二、下面举例利用永磁悬浮导轨装置完成一系列常规实验
首先对光电计时系统的挡位和功能进行正确设置。将数字毫秒计的“光控”信号输入端和二光电门相联，并选用、1ms档；检查光电门是否正常工作，然后对轨道调平。
（1）粗调：把二光电门置于导轨中部，相距60cm，离轨端距离大致相同。打开气源，放上滑块，调节底脚螺丝，直至滑块在气轨上不再自由滑动。（2）细调：将滑块从导轨左端轻推一下，测其通过电门的时间、，调节底脚螺丝，使二者尽量相等，又从右端推一下滑块，测出挡光时间′和′，同样调节使二者尽量接近，则可认为导轨的水平已调好。
1、速度、加速度的测量：在滑块的一端系一条细线，绕过气轨一端的滑轮后系一重物，由滑块、托盘和砝码构成的运动系统在重力作用下作直线加速运动。在导轨上相距s的两处放置二光电门，若测得此系统在重力mg作用下，滑块通光电门时的速度分别为、，在滑块上放置一中间有缺口的挡光片，使缺口正好在光电管前通过，用数字毫秒计档测出滑块和挡光片在光电门中通过时，二次挡光的时间间隔 ，则可得到该小间隔的平均速度，挡光片二前沿间距离为固定值 ，测出二光电门的距离S，并用游标卡尺测量挡光片上的二前沿间的距离 。因 较小，则可认为此平均速度为挡光片二前沿的中点通过光电门时，滑块M的即时速度。只要测出了挡光片通过二光电门的时间间隔 和 ，则可得对应的速度为、，可解得运动系统的加速度a。
2、碰撞研究。动量守恒定律指出，如果一力学系统所受外力的矢量和为零，则系统的总动量保持不变，若系统上某一方向上所受合外力为零，则系统在该方向上的总动量将保持不变（即分动量守恒）。在实验中，利用导轨上两滑块的对心碰撞来验证动量守恒定律.忽略滑块与导轨之间的摩擦力，则质量分别为和的两滑块之间在水平方向只受互相碰撞的作用内力，因而碰撞前后的总动量保持不变，若以、，、分别表示它们碰撞前后的速度，则由动量守恒定律，在碰撞方向上有+=+。
（1）完全弹性碰撞。
在完全弹性碰撞中，碰撞前后不仅系统的动量守恒，而且机械能也守恒，实验时，在两滑块的相碰端装上弹簧片，当两滑块相碰时，弹簧片发生弹性形变后迅速恢复原状，并将滑块弹开，系统的机械能近似没有损失，即两滑块的总动能不变。
调平导轨，检查光电系统（选择、1ms档）使之能正常测量。
取带有缓冲弹簧的两滑块称出其质量和，并将放在两光电门中间，使其静止，滑块放在导轨一端，将其轻轻推向，记下经过光电门1时的时间间隔 t10，两滑块相碰后，以速度、以速度运动。记下滑块与经过各自光电门的时间和（注意在滑块经过光电门Ⅱ后，应使其静止于轨端，重复上述测量3～5次。从以上各次测量结果计算碰撞前后的动量和，验证碰撞前后的动量是否守恒。
（2）完全非弹性碰撞。
在两滑块的相碰面上粘上橡皮泥，碰撞后两滑块粘在一起以同一速度运动，即可实现完全非弹性碰撞。
首先保持导轨水平，在两滑块的相碰端粘上橡皮泥，称出两滑块的质量和。将静止于两光电门之间，将放在导轨一端轻轻推动去碰撞，测量碰撞前后的速度，重测3～5次。计算各次碰撞前后的动量和，即可验证动量守恒。
参考文献：
[1]周殿清.大学物理实验[M].武汉：武汉大学出版社，2002：48-49.
[2]张志东.大学物理实验[M].北京：科学出版社，2004：120-121.
（作者单位：吉林建筑大学基础科学部）
关键词 气垫导轨 永磁悬浮 直线驱动
在物理实验中，由于摩擦的存在，导致误差往往很大，甚至使某些实验无法进行。若采用气垫导轨等装置，可使这一问题得以较好的解决。但是气垫导轨应保持表面的平直度和光洁度，实验前必须用纱布沾少许酒精擦洗导轨表面和滑块内表面。实验结束后，勿将滑块久放在导轨上，以免导轨表面拉伤，所有附件都应放入附件盒，用塑料套把导轨盖好。由此可见，对气垫导轨及附件的维护工作是相当繁重的。如果采用永磁悬浮技术加以改进，可直接省去以上维护工作，并舍掉对气泵的依赖，实验过程的噪音污染大大减少，电能消耗降低90%以上，还可以进一步探究直线电磁驱动等先进科技技术。
一、首先观察导轨装置的构造如下：
1、导轨 导轨是由长1.2～1.5m的角铝合金制成，导轨面上均匀分布着直径约0.4mm的喷气孔，导轨的一端装有进气孔、另一端装有滑轮，两端内侧都装有缓冲弹簧，整个导轨安装在工字钢梁上。
2、光电门安置在导轨侧面，它由发光管和光敏管组成，利用光敏管受光照和不受光照时电势的变化，产生电脉冲来控制数字毫秒计的“计”和“停”，进行计时。
3、滑块由角型铝材制成，其两侧内表面和导轨面精确吻合，两端装有缓冲器，其上可以加装挡光片、附加重物等，以供各种不同实验的需要。
4、调节螺钉与垫块用于调整水平程度。导轨的一端是单脚螺钉，另一端是双脚螺钉，主要供调节导轨水平使用，垫块用来改变气垫导轨的斜度。根据要求可将不同尺寸的垫块放在导轨单脚螺钉下得到不同斜度的斜面。一般滑块被托起的高度约为10～100mm。
5、标尺被固定在导轨一侧，在定位窗上可读出光电门的位置。
6、气源连接端口，用橡皮管将其与气源相连，并用开关进行控制。清洁的空气从此进入导轨内，由导轨表面上的小孔喷出。
7、按照保持仪器原有功能不变的原则对仪器进行如下改进：将气源端口拆开，向导轨空腔内安入截面为梯形的木制长杆，其上表面与侧面分别帖附极性相反的钕铁硼永磁片，重新安装好气源端口。在滑块的侧面和上面同样贴附导轨内部极性相反的钕铁硼永磁片，这样滑块就可以在槽型磁力势轨上悬浮滑动，技术的核心在于通过各磁片位置的合理分布，实现无阻力滑动，并且防止脱轨的发生。
二、下面举例利用永磁悬浮导轨装置完成一系列常规实验
首先对光电计时系统的挡位和功能进行正确设置。将数字毫秒计的“光控”信号输入端和二光电门相联，并选用、1ms档；检查光电门是否正常工作，然后对轨道调平。
（1）粗调：把二光电门置于导轨中部，相距60cm，离轨端距离大致相同。打开气源，放上滑块，调节底脚螺丝，直至滑块在气轨上不再自由滑动。（2）细调：将滑块从导轨左端轻推一下，测其通过电门的时间、，调节底脚螺丝，使二者尽量相等，又从右端推一下滑块，测出挡光时间′和′，同样调节使二者尽量接近，则可认为导轨的水平已调好。
1、速度、加速度的测量：在滑块的一端系一条细线，绕过气轨一端的滑轮后系一重物，由滑块、托盘和砝码构成的运动系统在重力作用下作直线加速运动。在导轨上相距s的两处放置二光电门，若测得此系统在重力mg作用下，滑块通光电门时的速度分别为、，在滑块上放置一中间有缺口的挡光片，使缺口正好在光电管前通过，用数字毫秒计档测出滑块和挡光片在光电门中通过时，二次挡光的时间间隔 ，则可得到该小间隔的平均速度，挡光片二前沿间距离为固定值 ，测出二光电门的距离S，并用游标卡尺测量挡光片上的二前沿间的距离 。因 较小，则可认为此平均速度为挡光片二前沿的中点通过光电门时，滑块M的即时速度。只要测出了挡光片通过二光电门的时间间隔 和 ，则可得对应的速度为、，可解得运动系统的加速度a。
2、碰撞研究。动量守恒定律指出，如果一力学系统所受外力的矢量和为零，则系统的总动量保持不变，若系统上某一方向上所受合外力为零，则系统在该方向上的总动量将保持不变（即分动量守恒）。在实验中，利用导轨上两滑块的对心碰撞来验证动量守恒定律.忽略滑块与导轨之间的摩擦力，则质量分别为和的两滑块之间在水平方向只受互相碰撞的作用内力，因而碰撞前后的总动量保持不变，若以、，、分别表示它们碰撞前后的速度，则由动量守恒定律，在碰撞方向上有+=+。
（1）完全弹性碰撞。
在完全弹性碰撞中，碰撞前后不仅系统的动量守恒，而且机械能也守恒，实验时，在两滑块的相碰端装上弹簧片，当两滑块相碰时，弹簧片发生弹性形变后迅速恢复原状，并将滑块弹开，系统的机械能近似没有损失，即两滑块的总动能不变。
调平导轨，检查光电系统（选择、1ms档）使之能正常测量。
取带有缓冲弹簧的两滑块称出其质量和，并将放在两光电门中间，使其静止，滑块放在导轨一端，将其轻轻推向，记下经过光电门1时的时间间隔 t10，两滑块相碰后，以速度、以速度运动。记下滑块与经过各自光电门的时间和（注意在滑块经过光电门Ⅱ后，应使其静止于轨端，重复上述测量3～5次。从以上各次测量结果计算碰撞前后的动量和，验证碰撞前后的动量是否守恒。
（2）完全非弹性碰撞。
在两滑块的相碰面上粘上橡皮泥，碰撞后两滑块粘在一起以同一速度运动，即可实现完全非弹性碰撞。
首先保持导轨水平，在两滑块的相碰端粘上橡皮泥，称出两滑块的质量和。将静止于两光电门之间，将放在导轨一端轻轻推动去碰撞，测量碰撞前后的速度，重测3～5次。计算各次碰撞前后的动量和，即可验证动量守恒。
参考文献：
[1]周殿清.大学物理实验[M].武汉：武汉大学出版社，2002：48-49.
[2]张志东.大学物理实验[M].北京：科学出版社，2004：120-121.
（作者单位：吉林建筑大学基础科学部）