Проекты

Модель электромагнитного поезда

Работа победителя открытой городской научно-практической конференции «Наука для жизни» в секции «Нанотехнологии. Теоретические и фундаментальные исследования. Математика и механика» среди работ учащихся 7−9 классов

Направление работы: Моделирование
Авторы работы: ГБОУ «Школа Глория»
Предметы: Физика
Классы: 9 класс
Мероприятия: Открытая городская научно-практическая конференция «Наука для жизни» 04−05 апреля 2019 года

Актуальность

Людей всегда волновала проблема, как переместить пассажиров и грузы из одной точки в другую максимально быстро, безопасно и дешево. На сегодняшний день несколько групп исследователей по всему миру работают над проблемой создания «пятого вида транспорта», в том числе основанного на электромагнитном взаимодействии. По мнению автора данной работы, из всех разделов физики 7–9 классов явления электромагнитного взаимодействия вызывают наибольшее количество вопросов со стороны школьников.

Автор работы решил собрать модель электромагнитного поезда для того, чтобы продемонстрировать на практике возможность использования явлений электромагнитного взаимодействия для транспортировки. В школе автора такой или аналогичной модели нет. Демонстрация модели и обсуждение возможности использования явлений электромагнитного взаимодействия при создании на практике «пятого вида транспорта», разработка которого активно ведется различными группами исследователей, в том числе таким известным предпринимателем, как Илон Маск, вызовет интерес к физике у школьников.

Цель работы: создание модели электромагнитного поезда, которую можно использовать в качестве модели для демонстрационного эксперимента на уроках физики для изучения явлений электромагнитного взаимодействия.

Задачи:

  1. Изучить теоретический материал по теме проекта.
  2. Познакомиться с принципом перемещения предметов за счет электромагнитного взаимодействия.
  3. Собрать действующую модель электромагнитного поезда и рассчитать индукцию.
  4. Изучить актуальную информацию по созданию «пятого вида транспорта» (Hyperloop, Маглев). Проанализировать преимущества и недостатки. Выявить существующие на сегодняшний день проблемы, препятствующие реализации проектов.
  5. Провести демонстрацию работы модели на уроках физики в 7, 8, 9 классах в рамках изучения школьниками явлений электромагнитного взаимодействия c обсуждением перспектив использования электромагнитного взаимодействия для транспортировки пассажиров и грузов.
  6. По результатам выступлений в школе сделать вывод об эффективности или неэффективности проведенных занятий. В случае успешной апробации модели внедрить ее использование в качестве модели для демонстрационного эксперимента.  

Содержание работы

Электромагнитное взаимодействие представляет собой взаимодействие между частицами, имеющими электрический заряд. При этом взаимодействие осуществляется посредством электромагнитного поля. Мир, который нас окружает, – проявление электромагнитного взаимодействия.

Для решения поставленных задач изучено явление электромагнитной индукции как наиболее яркого проявления электромагнитного взаимодействия. Проанализированы характеристики соленоида, являющегося основным элементом создаваемой модели, выявлены параметры, потенциально влияющие на скорость движения.  

Движение батарейки происходит за счет взаимодействия магнитов на ее концах со спиралью. Присоединяя к батарейке магниты, мы делаем из нее один большой магнит, один полюс которого будет отталкиваться от спирали, по которой идет ток, а другой притягиваться, при этом двигаясь.

Опытным путем были уточнены ключевые параметры, влияющие на скорость движения: состав проволоки, количество и толщина магнитов, параметры батарейки, диаметр проволоки, расстояние между витками намотки. Собрана действующая модель электромагнитного поезда.

Рассчитана индукция магнитного поля в средней части соленоида созданной модели.

Рассмотрено практическое применение явлений электромагнитного взаимодействия для транспортировки, выявлены существующие преимущества и недостатки Hyperloop и Маглев.

Также проведен анализ существующих в моей школе решений поставленной проблемы необходимости повышения интереса у обучающихся к изучению физики. Критерии анализа: наглядность, возможность изменить параметры процесса, прямая связь с передовыми направлениями инженерных исследований и разработок. Результаты проведенного анализа свидетельствуют об эффективности предлагаемой модели в качестве модели для демонстрационного эксперимента.

Оснащение и оборудование, использованное при создании работы

Медная проволока D=0,9 мм; неодимовые магниты D=13 мм толщиной 2 мм (6 шт.); батарейка LR1/E90 1,5 V; дрель-шуруповерт марки Makita; металлическая трубка L=1,2 м, D=13 мм; тиски слесарные.

Выводы

Создана работающая модель простейшего электромагнитного поезда. Используемые материалы и способ изготовления корректировались опытным путем. Рассчитана индукция магнитного поля в средней части соленоида на основе параметров созданной модели, величина составила 0,027 Тл.

Модель демонстрирует осуществление движения и перемещения предмета за счет электромагнитного взаимодействия.

Демонстрация модели на уроках в 7–9 классах ГБОУ «Школа Глория» и обсуждение возможности использования явлений электромагнитного взаимодействия при создании «пятого вида транспорта», в том числе в рамках проектов Илона Маска, вызвали неподдельный интерес у ребят. В рамках дискуссии был сделан вывод, что транспортировка таким способом на текущем этапе развития технологий может быть эффективна для грузов, что и подтверждается мнением руководства РЖД.

С помощью созданной модели можно проводить эффектные эксперименты, которые сделают уроки интереснее. Модель используется в школе в качестве модели для демонстрационного эксперимента на постоянной основе в рамках преподавания курса физики, а также курса дополнительного образования «Я – гимназист» ГБОУ г. Москвы «Школа Глория», в т.ч. для понимания принципов решения задач ГИА.

Перспективы использования результатов работы

Тестирование модели в вакууме, изменение и измерение параметров модели с учетом будущих знаний по физике в 10–11 классах.

Награды/достижения

  1. Диплом призера городского (заключительного) этапа Московского городского конкурса исследовательских и проектных работ обучающихся, 2019.
  2. Диплом победителя открытой городской научно-практической конференции «Наука для жизни», 2019.
  3. Диплом призера открытой городской научно-практической конференции «Инженеры будущего», 2019.
  4. 74-е Дни науки НИТУ МИСиС, диплом призера, 2019.