磁浮飯車


學校：


嗇色園主辦可立小學

組員：
黎浩賢同學、陳雨陽同學、 盧均樂同學、鄭志樂同學、 周強健同學

教師：
陳綺雯老師、陸少明老師

 

意念

　　我們的學校（可立小學）是一所全日制學校，每天均有很多同學在校午膳，當中有不少同學是由家長於午膳時間送飯到校的，而工友叔叔、嬸嬸及家長義工每天均把這些飯盒送到我們的班房，以方便我們用膳。

　　我們覺得他們這樣做實在是太辛苦了；因此，我們設計了「磁浮飯車」，希望藉此來減輕他們搬運飯盒的辛勞。

 

原理

　　「磁浮飯車」是利用磁鐵同性相斥及異性相吸的原理，使磁鐵具有抗拒車的速度，然後運用線型馬達的推動前進。

「磁浮飯車」浮起的原理

　　車身底部的極性與軌道壁下方的極相同，與軌道壁上方的極相反，因此可將車身向上排斥與吸引，從而浮起車身。

「磁浮飯車」前進的原理

　　利用線性馬達，將普通馬達轉動的力量轉移為直線移動的力量。同樣地，利用磁力的排斥力與吸引力，使浮起的車體能向前加速或減速。

 

材料
　　經過討論後，我們決定用下列材料製作「磁浮飯車」模型，原因如下：
  選用材料 選用原因
飯車 體積最小之紙包飲品盒（在下方及兩旁貼上極性相間之永久磁鐵） 輕身，容易浮起及在軌道上行走
軌道 將漆皮銅線繞在鐵枝上，接駁電源及開關鍵，組合成電磁鐵，再固定於木板上。 電磁鐵的磁性較強，可靠它的相吸及相斥力量將車體浮起。
軌道兩旁 軌道兩旁將不同極之永久磁石相間固定於木板上。 車體經過時，車體上的磁石與軌道上方的磁石會因「同性相斥，異性相吸」的原理而推進，減少車體與軌道的摩擦及能量的消耗。

 

設計

初步設計圖

 

過程
　　在製作模型階段，我們進行了以下的實驗及探究活動，探討以下問題：

1
甚麼因素會影響電磁鐵的磁力？

測試電磁力強度的方法：

  1. 將漆皮銅線繞於鐵棒上，接駁電源成電磁鐵
  2. 測試電磁鐵可吸攝之大小相同的萬字夾數目
  3. 可吸攝的萬字夾數目愈多，磁力就愈大

實驗一： 在相同大小及長度的鐵棒上繞 100 個線圈，接駁不同數目的電芯，記錄電磁鐵可吸攝之萬字夾數目。

結果： 電芯數目愈多，可吸攝的萬字夾數目愈多。

結論： 電芯數目愈多磁力愈大

實驗二： 在相同大小及長度的鐵棒上繞不同數目的線圈，接駁相同數目的電芯，記錄電磁鐵可吸攝之萬字夾數目。

結果： 線圈數目愈多，可吸攝的萬字夾數目愈多。

結論： 線圈數目愈多磁力愈大

實驗三： 比較兩個電磁鐵可吸攝之萬字夾數目

（i） 100 個線圈 + 1 個電芯

（ii） 200 個線圈 + 2 個電芯

結果： 電磁鐵（ii）可吸攝的萬字夾數目較（i）多

結論： 增加線圈及電芯數目電磁鐵磁力增強
 
2
看罷！電磁鐵的威力！

車身及路軌的磁石要怎樣擺放，車身才可浮起呢？

方法：１）永久磁石（磁圈）固定於小紙盒內（北極向上）
　　　２）將大小不同的磁圈貼於小紙咭上（北極向上）
　　　３）嘗試將小咭紙懸浮於盒內旁邊位置

結果：小咭紙上的磁圈與盒內的磁圈大小相同小咭紙才會浮起

結論：車身的磁力與車軌上的磁力要相若，而兩者磁極需相反。
 
3

車軌旁的磁石如何擺放才可令車身於路軌上前進？

方法：１）將磁圈固定於車身兩旁
　　　２）將磁圈固定於兩塊木板上（磁極相間擺放）
　　　３）將這兩塊木板相對擺放，中間放另一相同木板，然後固定位置。
　　　４）將車身向前推進，嘗試推進的效果。

結果：磁圈距離愈近，可感覺之推進力愈大，但車身上的磁圈會被吸在木板的磁圈上。

結論：盡量把車身上的磁圈與木板上的磁圈拉近以達至平衡，既有一定的推進力，車又不會被木板吸住。
 
4
我們正嘗試飯車的浮力。
如何令飯車行走得更暢順？

方法：１）將摩打固定在紙盒做的車身上

　　　２） 將車身放於不同的平面上試行（包裹著包書膠之磁條及木板）

結果：車身在磁條上較在木板上推進需時較短

結論：車身在較平滑的表面上較易向前推進

 

困難
成功了！我們終於有飯吃了！
製作過程中，我們遇到不少困難：
  1. 需接駁很多電芯以增加電磁鐵之磁力，但耗電量大及電磁鐵的磁力持久性低。
  2. 電磁鐵的磁力未能將小紙盒車身浮起。
  3. 木板兩旁的磁圈吸攝車身上的磁圈，令前進非常困難。
  4. 怎樣令車身於固定位置停下來及再啟動？
  5. 如真的將軌道設於走廊，應如何解決阻礙走火通道問題？

 

改良
我在分辨磁環的極性。

為解決以上問題，我們作出以下改動：

  1. 以包裹著包書膠之磁條作軌道，代替電磁鐵，減少摩擦力。
  2. 以紙製作車身，並接駁馬達及扇葉，增加車身推進力。
  3. 木板兩旁不安置磁鐵，以免影響車身推進。
  4. 車身底部不安置磁鐵，以減低摩擦力，令車身可於平滑之磁條軌道上行走。
  5. 於車身前裝置固定的小型磁石，以便吸引在安置課室門前的鐵片，使它能於固定位置停下來。
  6. 車身摩打接駁開關鍵，以便控制車身開啟時間。
  7. 路軌設計成可摺疊形式，底部用作張貼學生作品之壁報板，除午膳時間外，路軌可摺疊及作展示學生作品用。
    經改良後，新的「磁浮飯車」面世了，它主要是以風力推動。

 

總結
　　設計磁浮飯車的目的是為了減輕工友叔叔、嬸嬸及義工家長搬運飯盒之辛勞，我們參考了很多書籍及網上資料，了解磁浮列車的原理。在製作模型過程中，我們認識到合作的重要性，經過不斷的探究，雖然我們最終不能製作真正以「磁浮原理」推動的飯車，但我們也很滿意現在的成果，希望「磁浮飯車」能在我們的校園出現，為我們創造理想的校園環境。

 

感想
　　我覺得這次科學探究很富挑戰性，令我知道「磁浮」的原理及團體合作性的重要，我真的感謝教導我們的兩位老師。
（黎浩賢同學）
　　我和同學及老師一同製作這個「磁浮飯車」，不但可以學到很多科學原理，而且還學會與別人合作及合群的重要性。雖然，我們在研究過程中遇到很多困難，但最後，那些問題大多都能解決。其實，只要我們能努力不懈，就會成功。所以我以後也會不斷努力地學習及嘗試。
（陳雨陽同學）
　　經過這次「常識百搭」專題設計比賽，我覺得很開心。因我學會了群體精神及與人分享的重要性，我與整組成員還比以前 friend 呢！
（盧均樂同學）
　　我十分喜歡科學，更喜歡科學探究活動，今次我們雖然未能研製「磁浮飯車」，不過，我們亦能把握是次失敗的經驗，去研製用風力推動的飯車。相信我們如再花多些時間，必可領略到磁浮的原理。
（鄭志樂同學）
　　在此，我要感謝陳綺雯老師及陸少明老師。她們不斷地給我們很多寶貴的意見，我真的感謝她們。
（周強健同學）

 

參考

1. 高源清 (2002) 《小牛頓科學館 19》

 台灣：牛頓出版股份有限公司
2. 蘇詠梅 (1999) 《香港小學科學探究活動舉隅》 香港：香港教育學院
3. 磁浮火車原理 http://140.127.212/huang/stephen/page/newpage1.htm
4. 磁浮玩具 http://www.levio.com.tw/images/image003.jpg
5. 磁浮列車技術解說

http://web.chsh.ntct.edu.tw/010036/page7.htm

 

鳴謝

陳綺雯老師和陸少明老師

 
網上版版權為亞太科學教育論壇所有(2004)
小學科學專題研習
Copyright (C) 2004 HKIEd APFSLT. Volume 5, Issue 3, Special Section 1 (Dec., 2004).