题目浮光掠影磁浮列车的原理.docx
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题目浮光掠影磁浮列车的原理
臺北市立景美國中九十六學年度科學展覽
作品說明書
科別：
理化科
類別：
物理類
組別：
國中組
班別：
804
參賽人：
詹侑誠、陳學彥
作品名稱：
『浮』光掠影－－－磁浮列車
關鍵詞：
磁場（NS極）、磁鐵、摩擦力、風阻力
指導老師：
李秉勳
題目:
『浮』光掠影－－－磁浮列車
壹、研究動機
曾經看過電視上播放磁浮列車一閃而過的畫面，非常好奇到底是什麼神奇的力量能讓如此巨大的列車行駛得如此快速而平穩，於是就想研究看看磁浮列車的原理，及改變它的因素。
貳、研究目的
1.希望能藉由懸浮（利用電磁鐵的吸力和斥力使車體浮在空中）的原理模擬磁浮列車的運作過程。
2.在研究、操作過程中，思考問題且學習更多的知識。
3.從失敗中檢討，養成堅持到底和追根究底的實驗精神。
參、研究設備器材
名稱
用途
材料
1.珍珠板2.木板3.厚紙板4.磁鐵（長：
4公分，寬:
１公分，高：
0.7公分）-----180顆5.電子磅秤6.電子錶
1、4、3、製作車體與軌道、軌道牆2製作車軌的底部5測量重量6測量時間
工具
1.美工刀2.剪刀3.雙面膠4.膠帶
1、2切割珍珠板3、4黏貼珍珠板、木板、厚紙板、磁鐵
肆、研究過程及方法
我們利用木板當做車軌底盤，將169顆長條磁鐵按同極排列成一直排，用雙面膠貼在木板上，且在一排磁鐵的兩側加上軌道牆，寬5cm、全長約170cm，接著我們在車軌的前10cm製做一個以橡皮筋來發射的發射台。
我們再以磁鐵斥力而產生的浮力來試著比較不同的重量，以找到磁鐵斥力的極限，如下：
重量
飄浮高度
穩定度
70g
3cm
優
100g
1cm
好
150
0.8cm
可
200
0.3cm
有點接觸到底部
250
0cm
完全接觸底部
最後我們製做三種車型，車體的部分使用珍珠板，並藉由不同形體的珍珠板（70g）、橡皮筋拉長程度（5CM、10CM）及石頭（50g、100g、150g）來比較其速率；形體分別為
●長方體（6.5×4.6×5）
●長方體（10×4.6×5）
●四角椎+長方體（10×4.6×5）
三種；並用橡皮筋發射，測量的數據用十次做一個平均。
軌道上的磁鐵皆為「同極相斥」；當軌道上的磁鐵與車體上的磁鐵互相同極對應，磁鐵就相斥，這樣車體就會飄浮，此時再加上橡皮筋的人為彈打，即可前進，並且可比較其距離與速度。
橡皮筋彈打的部分，就是在一段鐵軌上的兩側綁上一條橡皮筋並取距離10cm、5cm（每顆磁鐵1cm）進行測量。
而質量的部分，是用加石頭（總重量分別為70g、120g、170g、220g）（且含塑膠袋）在車體上方式進行，而每個車體上的頂蓋都已改裝為活動式，這樣就能夠方便的用車體容納石頭。
伍、研究結果：
●長方體（6.5×4.6×5）
長方體（6.5×4.6×5）-拉5cm
重量
g
移動距離（cm）
第1次
第2次
第3次
第4次
第5次
第6次
第7次
第8次
第9次
第10次
平均
70
75
80
73
72
80
86
69
72
68
82
75.7
120
69
55
68
73
63
49
71
70
61
51
63
170
32
31
30
30
31
32
33
32
29
28
30.8
220
20
17
19
15
18
20
16
13
16
16
17
長方體（6.5×4.6×5）-拉10cm
重量
g
移動距離（cm）
第1次
第2次
第3次
第4次
第5次
第6次
第7次
第8次
第9次
第10次
平均
70
100
106
168
112
140
168
142
168
140
168
141.2
120
98
98
94
91
117
98
130
95
128
94
104.3
170
87
94
101
95
90
88
84
89
88
101
91.7
220
68
51
44
63
63
47
33
45
47
38
49.9
●長方體（10×4.6×5）
長方體（10×4.6×5）-拉5cm
重量
g
移動距離（cm）
第1次
第2次
第3次
第4次
第5次
第6次
第7次
第8次
第9次
第10次
平均
70
44
31
43
29
30
41
29
36
28
40
35.1
120
21
16
14
19
16
18
15
22
19
15
17.5
170
13
21
15
11
17
13
11
13
12
12
13.8
220
14
11
16
12
15
12
12
9
10
12
12.3
長方體（10×4.6×5）-拉10cm
重量
g
移動距離（cm）
第1次
第2次
第3次
第4次
第5次
第6次
第7次
第8次
第9次
第10次
平均
70
86
83
85
98
134
96
123
76
126
99
100.6
120
35
87
35
77
40
34
39
43
32
32
45.4
170
50
53
54
30
25
20
50
53
55
55
44.5
220
40
33
47
39
26
28
31
43
38
44
36.9
●
四角椎+長方體（10×4.6×5）
四角椎+長方體（10×4.6×5）-拉5cm
重量
g
移動距離（cm）
第1次
第2次
第3次
第4次
第5次
第6次
第7次
第8次
第9次
第10次
平均
70
54
77
60
71
78
60
60
53
78
55
64.6
120
42
55
43
47
78
60
39
41
37
49
49.1
170
22
33
21
24
32
22
20
27
22
48
27.1
220
22
20
19
31
23
13
27
16
19
24
21.4
四角椎+長方體（10×4.6×5）-拉10cm
重量
g
移動距離（cm）
第1次
第2次
第3次
第4次
第5次
第6次
第7次
第8次
第9次
第10次
平均
70
77
73
120
101
120
91
123
122
160
130
111.7
120
53
82
60
100
76
73
98
92
96
83
81.3
170
44
41
37
34
33
34
53
52
43
50
42.1
220
28
31
30
45
27
29
38
30
30
32
32
陸、討論：
以下兩圖整理的是當橡皮筋拉5cm和拉10cm時，各形狀車體的平均移動距離與車體承載重量的情況，當車子放在軌道會發現車子是浮起了但歪一邊，真正的磁鐵必須有二排，才會平衡，但模型只有一排軌道，只好增加圍牆，使車子維持平衡，但也增加了圍牆的內側與車子接觸面與摩擦力。
由下兩圖我們可以得知當橡皮筋拉10cm、重量為70g時，短的長方體（6.5×4.6×5）的車體顯然都因為側面接觸面積較小所以移動距離是三個車體中最長的，而四角椎＋長的長方體因為有形體上的優勢（四角椎可減少摩擦力）所以佔了移動距離第二長的優勢，但長的長方體（10×4.6×5）則因為側面接觸面積既大而且也沒有形體上的優勢，所以移動距離是三個車體中移動距離最少的，但是當重量逐漸變重時，在一定重量下，短的長方體（6.5×4.6×5）依然保持移動距離最長，可是長的長方體（10×4.6×5）和四角椎＋長的長方體的移動距離卻開始減小且有重疊的現象，這表示當車體有大推力時（橡皮筋拉10cm），接觸面積小的車體，其行駛的距離就越長。
當橡皮筋拉5cm、重量為70g時，短的長方體（6.5×4.6×5）依然因為側面接觸面積較小，所以移動距離是三個車體中最長的，而四角椎＋長方體和長方體（10×4.6×5）的情況也和拉10cm的情況相同，但是當重量逐漸變重時，長的長方體（10×4.6×5）也依然因為側面接觸面積既大而且也沒有形體上的優勢，所以移動距離還是三個車體中移動距離最少的，但是短的長方體（6.5×4.6×5）和四角椎＋長的長方體卻有差不多的移動距離，這表示車頭的形狀也是會影響，它的影響應該是在風阻力，這也是高鐵的車頭要做成流線型的原因。
平
以下兩圖整理的是當橡皮筋拉5cm和拉10cm時，各形狀車體的平均移動速度與車體承載重量的情況，但是當車體重量逐漸變重時，漂浮高度降低，穩定性也變差，在移動過程中也可能與軌道接觸摩擦，導致車行距離減少，故磁浮車的穩定性也是非常重要，必需要有一定的漂浮高度，在本作品中發現至少應有1公分的漂浮高度。
磁浮車情況（尖頭）
行車結果
橡皮筋拉5公分
材質
車子
淨重
（公克）
長、寬、高（公分）
與軌道牆接觸面積（
載重
（公克）
穩定性
漂浮高度
（公分）
車行距離（公分）
花費時間
（秒）
車行速度
公分/秒
珍珠板
70
長:
10
32.5
0
優
2
64.6
0.78
82.8
寬:
4.5
50
佳
1
49.1
0.67
73.3
高:
5
100
可
0.8
27.1
0.48
56.5
150
尚可
0.4
21.4
0.30
71.3
磁浮車情況（平頭）
行車結果
橡皮筋拉5公分
材質
車子
淨重
（公克）
長、寬、高（公分）
與軌道牆接觸面積（
載重
（公克）
穩定性
漂浮高度
（公分）
車行距離（公分）
花費時間
（秒）
車行速度
公分/秒
珍珠板
70
長:
10
50
0
優
2
35.1
0.36
97.5
寬:
4.5
50
佳
1
17.5
0.26
67.3
高:
5
100
可
0.8
13.8
0.32
43.1
150
尚可
0.4
12.3
0.34
36.2
磁浮車情況（尖頭）
行車結果
橡皮筋拉10公分
材質
車子
淨重
（公克）
長、寬、高（公分）
與軌道牆接觸面積（
載重
（公克）
穩定性
漂浮高度
（公分）
車行距離（公分）
花費時間
（秒）
車行速度
公分/秒
珍珠板
70
長:
10
32.5
0
優
2
111.7
2.05
54.5
寬:
4.5
50
佳
1
81.3
0.92
88.3
高:
5
100
可
0.8
42.1
0.66
63.8
150
尚可
0.4
32.0
0.51
62.8
磁浮車情況（平頭）
行車結果
橡皮筋拉10公分
材質
車子
淨重
（公克）
長、寬、高（公分）
與軌道牆接觸面積（
載重
（公克）
穩定性
漂浮高度
（公分）
車行距離（公分）
花費時間
（秒）
車行速度
公分/秒
珍珠板
70
長:
10
50
0
優
2
100.6
0.82
122.7
寬:
4.5
50
佳
1
45.4
0.62
73.2
高:
5
100
可
0.8
44.5
0.44
101.1
150
尚可
0.4
36.9
0.28
131.8
柒、結論：
本作品可獲得以下兩個結論：
1、車體的長度會影響接觸面積，但是如果我們將車體的形體改成流線型，可減少風阻力，那接觸面積的影響就不大。
2、磁浮車的穩定性是非常重要，若車子穩定性不佳，移動中的不穩晃動會增加摩擦，導致車子驟然停止，這是磁浮車設計的重點之一。
捌、參考資料及其他：
柳熙東、柳真淑，一點就通的科學實驗
（1），新苗文化，2007
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