大学物理小论文

学院：服装艺术与工程 班级：服装设计与工程118

学生：管聪

学号：201213010419 提交日期：20xx年1月6日

德日高速磁悬浮列车

摘要：自德国工程师赫尔曼■肯佩尔提出了电磁悬浮原理，磁悬浮技 术的研究就在国际范围内如火如荼的进行着。磁浮技术在交通方面的 应用体现在高速磁悬浮列车的出现。现阶段超高速磁浮技术主要有以 以日本为代表的超导超高速磁浮铁路MLX技术、德国常导超高速磁 浮铁路TR技术。本文主要介绍这两种技术的技术特点，分析他们的 能耗等各方面性质，并提出我国下阶段的磁浮研究方向。

关键词：MLX技术、TR技术、电磁吸引式悬浮、侧壁电动式悬浮

磁悬浮列车的概述

很早以前，人们就希望列车能与轨道脱离接触，以解除轮轨车辆 的振动与磨损带来的烦恼。自20世纪初德国工程师赫尔曼?肯佩尔 提出了电磁悬浮原理，并于19xx年申请了磁悬浮列车的专利以来， 人类一直在探索将这一原理应用到地面轨道交通的途径。19xx年代 以后，随着世界工业化国家经济实力的不断加强，为提高交通运输能 力以适应其经济发展的需要，德国、日本、美国、加拿大、法国、英 国等发达国家相继开始进行磁悬浮运输系统的开发。

由于磁悬浮列车是轨道上行驶，导轨与机车之间不存在任何实 际的接触，故其几乎没有轮、轨之间的摩擦。磁悬浮列车有其不可替 代的优势：运行速度快，能超过500千米/小时，运行平稳、舒适， 易于实现自动控制；它以电为动力，不排出有害的废气，有利于环境 保护；可靠性大、维修简便、成本低，可节省建设经费，其能源消耗 仅是汽车的一半、飞机的四分之一；噪音小，当磁悬浮列车时速达 300公里以上时，噪声只有65分贝，是一种名副其实的绿色交通工具。

正因为磁浮列车在交通方面有着如此的优势，国际上有关磁悬浮 列车的研究正如火如荼地进行着。20世纪末，经过多个国家长期的 试验研究逐渐形成以日本为代表的超导超高速磁浮铁路MLX技术、德 国常导超高速磁浮铁路TR技术以及日本主要用于中短途客运的中低 速地面运输系统HSST技术。下面主要介绍以德日为代表的两种高速 磁浮铁路技术。

日本德国超高速磁浮铁路的比较

目如日本超导超局速磁浮铁路MLX技术和德国常导超局速磁浮 铁路TR技术是超高速磁浮铁路领域最具代表性的技术。二者有他们 独特的技术特点，在某些方面都有其较高的造诣。

1、超导原理比较[1]

?日本MLX技术

日本超导型磁悬浮列车也称超导磁斥型。它是利用超导磁体产 生的强磁场，列车运行时与布置在地面上的线圈相互作用，产生电动 斥力将列车悬起。其最主要特征就是其超导元件在相当低的温度下所 具有的完全导电性和完全抗磁性。

超导磁悬浮列车的车辆上装有车载超导磁体并构成感应动力集 成设备，而列车的驱动绕组和悬浮导向绕组均安装在地面导轨两侧， 车辆上的感应动力集成设备由动力集成绕组、感应动力集成超导磁铁 和悬浮导向超导磁铁三部分组成。当向轨道两侧的驱动绕组提供与车辆速度频率相一致的三相交流电时，就会产生一个移动的电磁场，因 而在列车导轨上产生磁波，这时列车上的车载超导磁体就会受到一个 与移动磁场相同步的推力，正是这种推力推动列车前进。同时，在地 面导轨上安装有探测车辆位置的高精度仪器，根据探测仪传来的信息 调整三相交流电的供流方式，就能精确地控制电磁波形以使列车能良 好地运行。

?德国TR技术

德国常导型列车也称常导磁吸型，它是利用普通直流电磁铁电磁吸力 的原理将列车悬起，悬浮的气隙较小，一般为10毫米左右。车辆下部 支撑电磁铁线圈的作用就象是同步直线电动机的励磁线圈，地面轨道 内侧的三相移动磁场驱动绕组起到电枢的作用，它就象同步直线电动 机的长定子绕组。当沿线布置的变电所向轨道内侧的驱动绕组提供三 相调频调幅电力时，由于电磁感应作用承

载系统连同列车一起就像电 机的“转子” 一样被推动做直线运动，从而在悬浮状态下，列车可以完全实现非接触的牵引和制动。

常导磁悬浮列车工作时，首先调整车辆下部的悬浮和导向电磁铁 的电磁吸力，与地面轨道两侧的绕组发生磁铁反作用将列车浮起。在 车辆下部的导向电磁铁与轨道磁铁的反作用下，使车轮与轨道保持一 定的侧向距离，实现轮轨在水平方向和垂直方向的无接触支撑和无接 触导向。是通过一套高精度电子调整系统得以保证的。此外由于悬浮 和导向实际上与列车运行速度无关，所以即使在停车状态下列车仍然 可以进入悬浮状态。

2、主要技术特点比较日本MLX技术和德国TR技术的主要技术特点如表1[2]所示:

项目 悬浮方式 悬浮气隙 悬浮控制 低速时悬浮状态 悬浮、导向控制 电磁铁的安全冗余 线路荷载分布 最高试验速度 最高运营速度 车内磁力线泄露 技术难点

德国TR系统 电磁吸引式悬浮 8-10mm 不稳定 悬浮 需闭环控制

常导电磁铁有安全冗余 连续分散 501km/h 430km/h

几乎没有，对人体无碍 精确悬浮控制技术

日本MLX系统 侧壁电动式悬浮 100mm以上 稳定

车轮支承和导向

不需控制，具有自稳定性 超导电磁铁无安全冗余 相对集中 581km/h 500km/h

相对较强，但对生物无害 低温（或高温）超导制冷

技术

由表可得出日、德技术层面的优劣，此处就不再赘述。 3、悬浮特性比较

日本MLX技术和德国TR技术的最大不同在于悬浮原理不同。 ?日本MLX技术

日本采用斥力型电动悬浮H)S[3]。电动悬浮依靠车辆上的磁体 在运动时切割导轨上导体磁力线产生感应电流，该电流

产生的磁力线

必然与产生他的磁力线相反，形成斥力。磁浮车辆与导轨间有磁场稱 合在运动时会产生磁阻力。而斥力型磁浮的磁阻力在低速时大，在高 速是随着速度增高而下降。因此斥力型磁浮铁路更适用大城市间长距 离高速运输。

?德国TR技术

德国TR型磁浮的垂向悬浮力是由线路上的直线同步电机铁心与 车辆上直线同步电机的磁极间形成电磁吸力产生的，与斥力型磁浮列 车相同，吸力型磁浮列车也会形成磁阻力。[3]而德国TR驱动力与垂 直悬浮力两个系统合二为一，这是德国TR磁浮铁路优势所在。

4、能耗和造价经济分析

MLX车辆通过超导线圈同时实现悬浮、驱动和导向三种功能，只 需很小的供电电流，所以耗电量很小。其耗电量主要用于地面定子绕 组和维持液氦的超低温制冷用电。而TR车辆除了在驱动方面消耗电 能之外，由于车辆在停站和低速行驶过程中始终处于悬浮状态，故与 MLX系统相比，TR系统增加了在悬浮和导向方面的能耗。

对悬浮列车的造价方面，有数据显示，德国慕尼黑机场线造价单 价4.73亿元/km，而日本中央磁浮新干线造价单价12. 8-15. 3亿元/km， 可见德国技术的磁浮铁路的造价指标比日本磁浮铁路的造价要低。 由德日赐磁浮技术看中国磁浮发展

国际上对磁悬浮列车的研究已逐步趋向成熟，我国对磁浮技术的 研究也在火热进行。国防科技大学、西南交通大学和北京交通大学已 着手研究磁浮方面的技术，并于19xx年研制出我国第一辆可载人磁

悬浮列车。

对国际上德日为代表的超高速磁浮列车技术，他们各有各的优势 和技术不足。参考两种磁浮技术，德国MLX系统在造价能耗方面占有 优势，虽然在控制技术方面不如日本的TR系统，但在我国现有国情 下，我认为德国MLX系统更适合我国的铁路交通系统，尤其对替代长 距离城市间的铁路运输尤其发展点。因此对MLX系统，我国下一阶段 的研究方向应着重于对磁浮列车精确控制及导向的技术研究。

参考文献：

【1】佚名.磁悬浮列车的原理.百度网，2011,4.

城市轨道交通智能控制系统.344-345,2011,4.

【2】城市轨道交通智能控制系统.343-344, 2011,4.

第二篇：大学物理论文

大学物理小论文 一、

研究

二、

三、

四、

五、

题目：布朗运动及其相关的理论作者姓名：李丹丹 班级：网络工程（2）班 学号：201003020054 指导老师：李成波

题目：布朗运动及其相关的理论研究

作者：李丹丹

摘要：布朗运动的发现、实验研究和理论分析间接地证实了分子的无规则热运动，对于气体动理论的建立以及确认物质结构的原子性具有重要意义，并且推动统计物理学特别是涨落理论的发展。本文就布朗运动的发现及概念、相关物理学概念、数学中的布朗运动、前人对布朗运动的研究过程、爱因斯坦在布朗运动方面做的工作等几个方面进行了介绍，并对布朗运动研究的前景进行了展望。

关键字：布朗运动、扩散定律、随机过程、爱因斯坦(1879-1955)

正文：

1、什么是布朗运动？

悬浮微粒不停地做无规则运动的现象叫做布朗运动（Brownian movement ） 例如，在显微镜下观察悬浮在水中的藤黄粉、花粉微粒，或在无风情形观察空气中的烟粒、尘埃时都会看到这种运动。温度越高，运动越激烈。

它是1827年植物学家R.布朗首先发现的。作布朗运动的粒子非常微小，直 1

径约1~10微米， 在周围液体或气体分子的碰撞下，产生一种涨落不定的净作用力，导致微粒的布朗运动。如果布朗粒子相互碰撞的机会很少，可以看成是巨大分子组成的理想气体，则在重力场中达到热平衡后，其数密度按高度的分布应遵循玻耳兹曼分布。J.B.佩兰的实验证实了这一点，并由此相当精确地测定了阿伏伽德罗常量及一系列与微粒有关的数据。

2、与布朗运动相关的物理学概念

布朗运动的发现、实验研究和理论分析间接地证实了分子的无规则热运动，对于气体动理论的建立以及确认物质结构的原子性具有重要意义，并且推动统计物理学特别是涨落理论的发展。

由于布朗运动代表一种随机涨落现象，它的理论对于仪表测量精度限制的研究以及高倍放大电讯电路中背景噪声的研究等有广泛应用。

下面列举的是一些与布朗运动相关的物理学中的概念：

（1） 涨落

又称起伏.分两种类型，一是平衡态系统中，宏观参量的某次或局部的测量值偏离统计平均值的现象，一是布朗运动.处于平衡态的系统，压强、温度、能量等宏观参量都具有不随时间变化的稳定数值.

（2） 扩散

密度不均匀的物质中热运动引起的质量迁移.同种物质的扩散称为自扩散；混合物中不同组份间的扩散称为互扩散.

（3） 热传导

介质中的热运动把热量从高温区传到低温区的宏观过程.固、液、气态物质中都能发生热传导，并且具有相同的宏观规律.

（4） 粘滞性

又称内摩擦.流体内部宏观相对运动展现的抵消这种运动的特性。

（5） 平均自由程

平衡态气体中，任一分子与其他分子两次相继碰撞之间通过的路程之平均值。

（6）碰撞频率

平衡态气体中任一分子单位时间与其他分子的平均碰撞次数.用符号K表 2

示.

（7） 分子碰撞

相对运动的分子，受分子力的作用，显著改变运动状态的过程.宏观系统均由巨大数量的分子构成.气体分子总是处于热运动状态，频繁碰撞.一个分子同时与多个分子碰撞的概率极小.通常“碰撞”均指两体间的相互作用.

（8） 输运现象

又称输运过程、迁移现象或迁移过程.系统从非平衡态趋向平衡态过程中产生的动量、能量或质量的传输现象.处于非平衡态的孤立系统，总是趋向平衡态，并且经过足够长的时间终将达到平衡态.

（9） 能量均分定理

关于分子热运动动能的经典统计规律.是个近似定理.每个分子都是一个力学体系.在经典力学中，分子的能量是广义坐标和广义动量的函数，数学表达式为含有它们的各平方项之和。

（10） 分子的自由度

决定分子位形所需的独立坐标数目.每个分子都由若干个原子构成.若把原子视为质点，每个原子的位置就由空间坐标ｘ、ｙ、ｚ三个独立参量确定，Ｎ原子分子的自由度为３Ｎ.若分子运动受到限制，自由度会减少.

3、数学中的布朗运动

在数学中，{B(t)}布朗运动(brownian motion)也称为维纳过程，是一个随机过程，而且满足以下性质：

（1）. 独立的增量(independence of increments)

对于任意的t>s, B(t)-B(s)独立于之前的过程B(u):0<=u<=s.

（2）. 正态的增量(normal increments)

B(t)-B(s)满足均值为0方差为t-s的正态分布。即，B(t)-B(0)~ N(0,t)。

（3）. 连续的路径(continuity of paths)

B(t), t>=0是关于t的连续函数。

4、前人对布朗运动研究的过程

布朗运动自发现之后，经过多半个世纪的研究，人们逐渐接近对它的正确认 3

识。到上世纪初，先是爱因斯坦和斯莫卢霍夫斯基的理论，然后是贝兰和斯维德1伯格的实验使这一重大的科学问题得到圆满地解决，并首次测定了阿伏加德罗常数，这也就是为分子的真实存在提供了一个直观的、令人信服的证据，这对基础科学和哲学有着巨大的意义。

5、爱因斯坦的布朗运动理论

为了使分子动理论成为一种精确的物理理论，对分子大小的精确测定是19世纪末至20世纪初一个重要的研究课题．到19xx年，对于分子大小的测定已有几种实验方法．但当时测定的都是气体分子的大小．爱因斯坦的论文——《分子大小的新测定》，首次给出了一种用液体中的现象来测定分子大小的方法．《分子大小的新测定》是爱因斯坦提交给苏黎世大学的博士论文，初稿写于19xx年，后来作了较大的修订，该文将流体力学的技巧与扩散理论相结合，创造了一种测定分子大小和阿伏伽德罗常量的精确度很高的新方法．有关分子动理论的另一篇文章为《热的分子运动论所要求的静止液体中悬浮小粒子的运动》．该文实质是用分子动理论或者说用统计的观点及方法，对布朗运动作出理论解释．

到19xx年，爱因斯坦依据分子运动论的原理提出了布朗运动的理论，圆满地回答了布朗运动的本质问题，并导出了解释布朗运动的爱因斯坦公式。

爱因斯坦的成果大体上可分两方面。一是根据分子热运动原理推导：在t时间里，微粒在某一方向上位移的统计平均值，即方均根值，D是微粒的扩散系数。这一公式是看来毫无规则的布朗运动服从分子热运动规律的必然结果。

爱因斯坦成果的第二个方面是对于球形微粒，推导出了可以求算阿式中的η是介质粘度，a是微粒半径，R是气体常数，NA为阿伏加德罗常数。按此公式，只要实际测得准确的扩散系数D或布朗运动均方位 得到原子和分子的绝对质量。爱因斯坦曾用前人测定的糖在水中的扩散系数，估算的NA值为3.3×10^23，一年后(1906)又修改为6.56×10^23。

爱因斯坦的理论成果为证实分子的真实性找到了一种方法， 19xx年，法国物理学家佩兰利用与大气分子垂直分布相类似的胶态粒子在液体中悬浮进行显微镜观察，以前所未有的精确度确认了上述爱因斯坦公式的正确性．

可以说，爱因斯坦有关布朗运动的理论及其实验证实，使以原子一分子学说为基础的分子动理论得以站稳脚根，并向统计力学、统计物理方向发展．从此， 4

用统计的观点分析与研究物理问题成为物理学中一种非常有效而被广泛应用的方法．

6、展望

现在，由对布朗运动的研究而得出的数学和物理方面的理论应经广泛的应用到了各个领域，例如：运用布朗运动，对概率算法中的一个关键公式给予了理论上的证明，并对三维Dirichlet问题提出了概率算法; 广义布朗运动的GirsanoV型测度变换，并利用所得结果解决带漂移的广义布朗单在增轨道上的最大值的概率分布问题;因为纳米粒子布朗运动特性对Micro-／Nano-PIV的使用和与粒子相关的物理现象的研究有重要意义，因此观测200hm荧光粒子的布朗运动，利用单粒子追踪(sl r)算法和自编程序处理图像，获得粒子的均方位移，计算实验扩散系数等。

相信随着人们对布朗运动的研究不断深入，会有更多的领域能够应用到布朗运动的相关知识，而同时，我们对布朗运动的了解也会逐渐增多，不会像现在这样仅仅局限于表层的基础知识。

参考文献：

[1] 杨静， 王丽霞. 爱因斯坦与布朗运动的数学理论[J]

[2] 布朗运动, 百度百科， .

[3] 陈宣毅，布朗运动：从花粉的无规行走到生物与天文[J]

[4] 杨静， 唐泉.维纳和布朗运动[J] ,数学的实践与认识

[5] 程守洙，江之永主编的《普通物理学》。

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