CN100578569C - 消地磁对安培定则实验的干扰的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种消除地磁场的水平分磁场对安培定则的实验的干扰的方法和采用该方法的安培定则演示器。该仪器的磁体板(4、5)的N、S极相互正对，在其间的局部空间内产生的匀强磁场的感强度与地磁场的水平分磁场的磁感强度大小相等方向相反，矢量和为0，在此局部空间内的观察器(14)与小磁针(9)转动的自由面都是水平的。穿过此局部空间中心的竖直直导线(20)中有电流时，各小磁针(9)的N极就都转到并停驻在该电流在其所在处产生的磁场的方向上。若握直导线(20)的右手的伸直的拇指指电流的方向，则弯曲的四指所指的方向就是磁感线(17)环绕的方向。这就是用消除地磁场的水平分磁场的方法做的能把安培定则直接展现出来的实验。
Description
技术领域
本发明涉及一种中学物理安培定则的实验的方法和采用该方法的仪器。
背景技术
在中学物理安培定则的教学中所用的演示实验一直是奥斯特实验，但此实际很不理想，问题在于它完全没把安培定则表现出来。这一问题，中国发明专利公开号为CN1462987A、公开日为2003年12月24日的“避地磁干扰单直导线安培仪”已能解决，但该仪器有个缺点，在做实验时直导线和小磁针转动的自由面都要做大角度的倾斜，如在地磁倾角为57°的北京就得倾斜33°，在上海要倾斜45°，在海口要倾斜67°，给学生对实验的观察带来不便。
发明内容
本发现是为解决地磁场的水平分磁场对安培定则的实验的干扰的问题提供一种消除地磁场的水平分磁场对安培定则的实验的干扰的方法和采用该方法的安培定则演示器。
1、消除地磁场的水平分磁场对安培定则的实验的干扰的方法。
一块磁体板的N极与另一块完全相同的磁体板的S极相互正对，在其正中间的局部空间内产生的匀强磁场的磁感强度与地磁场的水平分磁场的磁感强度大小相等方向相反，矢量和为0，从而消除了地磁的水平分磁场，于是形成一无任何水平方向的磁场而只有地磁场的竖直分磁场的局部空间。在此局部空间里，中学物理实验中通常使用的小磁针，传统的小磁针处于随遇平衡状态。
在穿过此局部空间中心的竖直直导线中有电流时，原本在此局部空间内处于随遇平衡状态的小磁针的N极就要转到并停驻在该电流在其所在处所产生的磁场的方向上。其实这一实验结果正是安培定则的直接展现，就是本发现要达到的结果，也正是奥斯特实验完全达不到的。
2、安培定则演示器
此仪器是由：消除地磁场的水平分磁场的装置；提供方向竖直向上或向下的直线电流的装置；显示直线电流在空间各处产生的磁场的方向的小磁针和辅助对实验结果进行观察的观察器等四个部件所组成。
附图说明
下面结合附图和实施方式对本发明做进一步详细说明。
图1示出地磁场的分解。
图2示出二块完全相同的磁体板，一块的N极与另一块的S极相互正对，有共同的轴线。
图3示出N极与S极相互正对的二块磁体板的正中间产生一匀强磁场的局部空间(由虚线框出的)。
图4示出二磁体板共同产生的匀强磁场的磁感强度与地磁场的水平分磁场的磁感强度大小相等方向相反。
图5示出在局部空间内已无任何水平方向的磁场而只有地磁场的竖直分磁场。
图6示出在本发明中，用以显现竖直直导线中的电流在空间各处产生的磁场的方向的小磁针。
图7示出观察器的基本构造。
图8示出在没有任何水平方向的磁场而只有地磁场的竖直分磁场的局部空间里做安培定则的实验的情况。
图9示出消除地磁场的水平分磁场的装置。
图10示出提供方向竖直向上或向下的直线电流的装置。
图11示出安培定则演示器的整体构造。
图12示出安培定则演示器的整体的方位的调整。
图13示出二磁体板共同产生的匀强磁场的磁感强度的大小的调整。
图14示出用安培定则演示器做的一个直接把安培定则和直线电流的磁场在空间分布的规律展现出来的实验。
具体实施方式
图1示出地磁场的分解。地磁场的磁感强度为BG1，其水平分磁场的磁感强度为BH2而其竖直分磁场的磁感强度为BV3。图中箭头所指的“磁北”方向就是在地磁场中指南针的N极所指的方向，实质上就是地磁场的水平分磁场的磁感强度BH2的方向。
图2示出磁体板4的N极与磁体板5的S极相互正对，它们有共同的轴线6。
图3示出在N极与S极相互正对的磁体板4与磁体板5的正中间产生一人为的磁感强度为BM8的匀强磁场的局部空间7(由虚线框出的)，局部空间7的中心13在磁体板4与磁体板5之间的一段轴线6的中点。
图4示出把人为的匀强磁场的局部空间7内的磁感强度BM8调整到与地磁场的水平分磁场的磁感强度BH2大小相等方向相反。
图5示出磁感强度BM8与磁感强度BH2的矢量和为0。在局部空间7内的地磁场的水平分磁场被消除而只有地磁场的竖直分磁场(磁感强度为BV3方向向下)。
图6示出在本发明中用以显现直线电流在其周围各处产生的磁场的方向的小磁针9。小磁针9就是在中学物理实验中通常使用的、传统的、教育部部标产品代码为J11006的，长为2.8厘米的菱形小磁针。小磁针9的磁针座12必须放在水平的台面上，顶针11必须是竖直的，小磁针9靠顶针11的支撑才得以自由转动，顶针11的针尖就顶在小磁针9的支点上，支点在铜头10内。小磁针9转动的自由面是水平的。
小磁针9最重要的技术特征是：在地磁场的作用下其针体保持水平而其N极指向磁北方向。确切地说，小磁针9的重要特征是：在地磁场的竖直分磁场(磁感强度为BV3)的作用下其针体保持水平；在地磁场的水平分磁场(磁感强度为BH2)的作用下其N极转到并停驻在地磁场的水平分磁场(磁感强度为BH2)的方向上。小磁针9之所以在地磁场的竖直分磁场(磁感强度为BV3)的作用下，其针体保持水平，是因为其针体在水平状态时，地磁场的竖直分磁场对它作用的力偶矩与重力场对它作用的力偶矩恰好平衡，而且是稳定平衡，这一点在设计小磁针9时就是如此安排的。小磁针9的N极之所以能转到并停驻在地磁场的水平分磁场的方向上是因其转动的自由面是水平的。
把具有如此重要技术特征的小磁针9放到图5所示的只有磁感强度为BV3而方向竖直向下的磁场但无任何水平方向的磁场的局部空间7中，其针体保持水平而其N极可停驻在任何水平的方向上，也就是说小磁针9处于随遇平衡状态。
图7中有观察器14的主视图、俯视图、左视图和仰视图。
观察器14是个边长为15厘米的正方形薄板。通过其中心圆孔16穿到竖直直导线20的近中点处，弹簧夹19紧紧夹住直导线20使其固定在竖直直导线20的近中点处而且与竖直直导线20垂直，如图8与图11所示。
观察器14有二个作用：
其一是做为承载小磁针9的一个水平台面；
其二是辅助对实验结果进行观察和分析。
刻在观察器14的板面上的同心圆17(也是磁感线17)与射线18共同组成小磁针9在观察器14的平面上的位置座标的参照系。
图8示出一个直接把直线电流的磁场在空间分布的规律和安培定则展现出来的实验。观察器14上的每一个小磁针9的N极所指的方向都与其所在的同心圆17(也是磁感线17)相切而与其所在的射线18垂直。握直导线20的右手的拇指指电流I的方向，则其余四个手指的指尖共同分别指向各个小磁针9的N极所指的方向。其实各个小磁针9的N极所指的方向就是直导线20中的直线电流在其所在处所产生的磁场的方向。所以说若握直导线20的右手的拇指指电流I的方向则弯曲的四个手指所指的方向就是磁感线17的环绕方向。
此实验的核心部分是在图5所示的局部空间7内。观察器14和分布在其上面的小磁针9都在局部空间7内。小磁针9的磁针座12都放置在同心圆17与射线18的诸交点上。
若磁体板4、5是用电子工业部部标材料牌号为BMC-Y30BH的铁氧体烧结磁体制成的，若磁体板4、5的形状是长为8.2厘米、宽为6.3厘米、高为0.7厘米的矩形板，若做实验的地点是北京，则磁体板4与磁体板5之间的距离就得在83厘米左右。
此实验只需3节1号干电池并联给直导线20供电流，就可使在距直导线208厘米以内的每一个小磁针9的N极都很到位地停驻在直线电流在其所在处所产生的磁场的方向上。
图9示出消除地磁场的水平分磁场的装置，其上梁21长为(83+10)厘米，其支柱22、23长为35厘米。齿轮箱24固定在上梁21的正中央。托板25、26分别固定在上梁21的二端。连结块39在下梁38的中点。
扭转旋纽27，带动齿轮箱24内的齿轮，带动齿条28、29，带动连杆30、31，带动小滑车32、33使其分别在托板25、26上做相向或相背的运动，从而使小滑车32、33上的磁体板4、5之间的距离变小或变大，从而使磁感强度BM8变大或变小。导轮34、35、36和37控制磁体板4、5的运动，使其只能直进或直退而不做横向运动，从而使磁体板4、5的共同轴线6总保持跟上梁21和下梁38平行。
图10示出提供方向竖直向上或竖直向下的直线电流的装置。
弓形架二端的弹簧夹40、41紧紧夹住直导线20的二端，使直导线20、弓臂42、弓背43和弓臂44四者共同构成一固定的长为70厘米，宽为40厘米的矩形框。连结块51在弓臂44上距弓背43较近处。
由电源盒45的一极引出一导线以次穿过小圆环46、47、48和49后接到直导线20的上端，由另一极引出一导线穿过小圆环50后接到直导线20的下端，形成一闭合电路。
电源盒45可容3节1号干电池并联。
图11示出安培定则演示器的构成。
安培定则演示器系由：消除地磁场的水平分磁场的装置(如图9所示)；提供方向竖直向上或向下的直线电流的装置(如图10所示)；观察器14(如图7所示)和小磁针9(如图6所示)等四者构成。
用螺丝将弓臂44上的连结块51(见图10)与下梁38上的连结块39(见图9)紧固在一起，使提供方向竖直向上或向下的直线电流的装置与消除地磁场的水平分磁场的装置结成一个整体。于是，安培定则演示器就由支柱22、23和52三者共同支撑。穿过局部空间7的中心13的竖直直导线20与轴线6垂直相交于直导线20的中点。在此，特别重要的一点：刻在观察器14上的方向准线15跟轴线6、上梁21和下梁38等平行。这一点是在组装整个安培定则演示器时就已固定好了的。
结合图12说明安培定则演示器整体方位的调整，实质上是轴线6的方位的调整。
把安培定则演示器放在水平桌面53上时，暂且先让方向准线15的箭头粗略地指向地理北的方向。从小滑车32、33上取下磁体板4、5，放到2米以外的远处。观察器14上只留一枚小磁针9放到方向准线15的中点，在地磁场的作用下，确切的说应该是在地磁场的水平分磁场的作用下小磁针9的N极转到并停驻在磁北方向上。就以此小磁针9的N极所停驻的方向为准，在水平桌面53上转动整个安培定则演示器至方向准线15的箭头随安培定则演示器的整体一起转动至小磁针9的N极所停驻的磁北方向为止。至此，安培定则演示器的方位已调好。
结合图13说明人为匀强磁场的磁感强度BM8的大小的调整。
从2米以外的远处取回磁体板4、5，分别放回原小滑车32、33上。磁体板4、5共同产生的匀强磁场的磁感强度BM8的方向与地磁场的水平分磁场的磁感强度BH2的方向恰相反。此时，小磁针9可能出现的情况有三：
一、其N极指BH2的方向，
说明|BH2|＞|BM8|；
二、其N极指BM8的方向，
说明|BH2|＜|BM8|；
三、小磁针9处于随遇平衡状态，
说明|BH2|＝|BM8|。
若小磁针9处于随遇平衡状态就说明：磁感强度BM8与磁感强度BH2大小相等方向相反，二者的矢量和为0，在局部空间7内地磁场的水平分磁场已被消除，就可在局部空间7内做安培定则的实验了。若小磁针9不是处于随遇平衡状态，可扭转旋纽27将小磁针9调成随遇平衡状态。
图14示出已完全调整好的安培定则演示器，这里已形成一个无任何水平方向的磁场而只有地磁场的竖直分磁场(磁感强度为BV3，方向向下)的局部空间7(如图5所示)。
取回所有小磁针9，重新布置在同心圆17与射线18的诸交点上。整个观察器14和分布在其上的小磁针9都在局部空间7内。电源盒45的正负极各引出一导线分别接到直导线20的二端，形成一闭合电路，直导线20中的电流的方向向上。
握直导线20的右手的拇指指电流I的方向，则其余四个手指的指尖共同指的方向就分别跟每一个小磁针9的N极所指的方向相同，而小磁针9的N极所指的方向就是直线电流在其所在处所产生的磁场的方向。所以说若握直导线20的右手的伸直的拇指指电流I的方向，则弯曲的四个手指所指的方向就是磁感线17环绕的方向，这一实验结果正是安培定则的直接展现。同时，此实验还直接展现出直线电流的磁场在空间分布的规律，小磁针9的N极所指的方向跟其所在的同心圆17相切而与其所在的射线18垂直。但此实验中所展现出来的一切，在传统的演示实验奥斯特实验中却全然无所展现。
Claims (1)
1.一种消除地磁场的水平分磁场对安培定则的实验的干扰的方法，其采用一种安培定则演示器来实现，该安培定则演示器系由：消除地磁场的水平分磁场的装置；提供方向竖直向上或向下的直线电流的装置；显示直线电流在空间各处产生的磁场方向的小磁针和辅助对实验结果进行观察的观察器四个部件所组成，将所述的安培定则演示器放到水平的桌面(53)上，拿走二磁体板(4、5)放到2米以外的远处，观察器(14)上只留一枚小磁针(9)放到方向准线(15)的中点，在地磁场的作用下小磁针(9)的N极转到并停驻在磁北方向上，在水平的桌面(53)上转动整个安培定则演示器，使方向准线(15)的箭头随安培定则演示器整体一起转动至小磁针(9)的N极所停驻的磁北方向上，取回二磁体板(4、5)在其正中间的局部空间(7)内产生的匀强磁场的磁场方向恰与磁北方向相反，扭转旋纽(27)将小磁针(9)调成随遇平衡状态，重新将诸小磁针(9)布置在同心圆(17)与射线(18)的诸交点上，接通电路每个小磁针(9)的N极都转到并停驻在直导线(20)中的直线电流在每个小磁针(9)所在处所产生的磁场的方向上，每个小磁针(9)的N极所指的方向与其所在的同心圆(17)相切而与其所在的射线(18)垂直，若握直导线(20)的右手的伸直的拇指指电流的方向，则弯曲的四个手指所指的方向就是磁感线(17)的环绕的方向，该方法的特征在于：二块完全相同的磁体板(4、5)，其中一块的N极与另一块的S极相互正对，在其正中间的局部空间(7)内产生的匀强磁场的磁感强度与地磁场的水平分磁场的磁感强度大小相等、方向相反、其矢量和为0，形成一无任何水平方向的磁场而只有地磁场的竖直分磁场的局部空间(7)，在此局部空间(7)内的观察器(14)上的小磁针(9)转动的自由面都是水平的，穿过此局部空间(7)的中心(13)的直导线(20)是竖直的。
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