CN106057029B - 一种演示记忆合金形状记忆效应的实验系统及实验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种演示记忆合金形状记忆效应的实验系统及实验方法，实验系统包括：送风系统、记忆合金弹簧连接体和单向轨道，实验方法包括向玻璃圆筒交替送入热风和冷风，记忆合金弹簧连接体交替伸长或缩短，档脚受到单向轨道上楔形沟槽的限制，记忆合金弹簧连接体会沿着单向轨道不受限制的方向移动，模仿了蠕虫的蠕动效果。本发明操作简单，形象生动地演示了形状记忆合金的形状记忆效果，能够激发学生的学习兴趣，加深了对形状记忆合金材料状记忆效应的理解。
Description
技术领域
本发明涉及一种演示记忆合金形状记忆效应的实验系统及实验方法，属于物理演示实验领域。
背景技术
某些金属材料，在发生了非弹性变形后，被加热到某一温度之上时，能够自动恢复到形变前的形状，这种现象叫做形状记忆效应(Shape Memory Effect，SME)。通常具有该现象的材料是由两种或两种以上的金属元素组成，故称其为形状记忆合金。自1932年瑞典学者在AuCd合金中发现这一现象以来，各国学者也发现了在CuZn、CuAlNi、AuCd、NiTi合金中表现出类似的形状记忆效应。目前，形状记忆合金因其独特的热力学性质已经广泛应用于航空航天，生物医疗，机械电子和桥梁建筑等诸多领域，在工程应用中发挥着巨大的作用。
形状记忆弹簧是用具有形状记忆效应的合金，如NiTi合金等，制作成弹簧形状的金属器件。记忆弹簧的长度会随着环境温度的变化而变化，这种现象被称为热致伸缩。这种现象的产生源于材料具有“记忆”原始形状的功能，即材料经过高温下定形后，冷却到低温并施加形变，使其产生形变残余，通过加热可使形变残余消失，既而恢复到高温时的形状，形状记忆合金特有的热弹性马氏体相变是产生形状记忆效应和伪弹性的根本原因，而热弹性马氏体相变与温度和应力密切相关，当材料在高温恢复原来的形状后，再对材料进行加热或冷却，其形状保持不变称为单程形状记忆效应；如果对材料进行特殊处理，在随后的加热和冷却循环中，能够重复记住高温和低温时的两种形状，称为双程形状记忆效应。
对这样一种性能奇特，应用广泛的现代材料有必要引入到大学物理的教学课堂上来，让学生了解科技前沿，直观感受科技所带来的神奇魅力。演示实验是大学物理课堂教学过程中一个不可缺少的组成部分，它能够激发学生的学习兴趣，引起学生的学习欲望，培养学生科学实验素养，有效地培养学生的观察能力和实践动手能力。这就需要演示实验仪器要做到结构简单，操作简便且形象有趣。本发明以记忆弹簧为主体器件设计了一种演示记忆合金形状记忆效应的演示实验仪器。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于研制一种演示记忆合金形状记忆效应的实验系统及实验方法。
本发明所要解决的技术问题采用以下技术方案来实现：
一种演示记忆合金形状记忆效应的实验系统，包括：
由风机、电加热器和控制器组成的用于向玻璃圆筒提供热风或冷风的送风系统；
由第一带档脚的弹簧支架、热致伸长记忆弹簧、热致压缩记忆弹簧、第二带档脚的弹簧支架、第三带档脚的弹簧支架组成的记忆合金弹簧连接体；
用于限制记忆合金弹簧连接体运动方向的并设有楔形沟槽的单向轨道；
所述风机、电加热器分别与控制器相连接，电加热器安装在风机的出口处，风机的出口与玻璃圆筒的进口相连接，玻璃圆筒还设有玻璃圆筒出口，单向轨道安装于玻璃圆筒的中下部，第一带档脚的弹簧支架的一端与热致伸长记忆弹簧的一端相连接，热致伸长记忆弹簧的另一端与第二带档脚的弹簧支架的一端相连接，第二带档脚的弹簧支架的另一端与热致压缩记忆弹簧的一端相连接，热致压缩记忆弹簧的另一端与第三带档脚的弹簧支架相连接。
作为上述技术方案的进一步描述，所述控制器上安装正向开关和反向开关，按下正向开关时，风机正转、电加热器通电，热风从玻璃圆筒的进口进入玻璃圆筒；按下反向开关时，风机反转、电加热器断电，冷风从玻璃圆筒出口进入玻璃圆筒。
作为上述技术方案的进一步描述，所述单向轨道上的楔形沟槽的斜面与底面的夹角为30度，楔形沟槽的竖直面与底面的夹角为90度。
作为上述技术方案的进一步描述，所述单向轨道的材料为木质、塑料或金属。
作为上述技术方案的进一步描述，所述热致伸长记忆弹簧随着温度的升高而伸长，随着温度的降低而缩短；热致压缩记忆弹簧随着温度的降低而伸长，随着温度的升高而缩短。
作为上述技术方案的进一步描述，所述第一带档脚的弹簧支架、第二带档脚的弹簧支架、第三带档脚的弹簧支架的底部均设有档脚，档脚的高度与楔形沟槽的深度相等。
一种演示记忆合金形状记忆效应的实验系统的实验方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，按下正向开关，风机正转、电加热器通电，热风从玻璃圆筒的进口进入玻璃圆筒，热致伸长记忆弹簧随着温度的升高而伸长，热致压缩记忆弹簧随着温度的升高而缩短，第一带档脚的弹簧支架、第二带档脚的弹簧支架、第三带档脚的弹簧支架底部的档脚受到单向轨道上楔形沟槽的限制，记忆合金弹簧连接体会沿着单向轨道不受限制的方向移动。
步骤二，按下反向开关，风机反转、电加热器断电，冷风从玻璃圆筒出口进入玻璃圆筒，热致伸长记忆弹簧随着温度的降低而缩短，热致压缩记忆弹簧随着温度的降低而伸长，第一带档脚的弹簧支架、第二带档脚的弹簧支架、第三带档脚的弹簧支架底部的档脚受到单向轨道上楔形沟槽的限制，记忆合金弹簧连接体会沿着单向轨道不受限制的方向移动。
步骤三，重复步骤一、步骤二操作，直至记忆合金弹簧连接体移动至玻璃圆筒出口或玻璃圆筒的进口，实验结束。
本发明的有益效果是：
本发明通过一种演示记忆合金形状记忆效应的实验系统及实验方法模仿了蠕虫的蠕动，仪器操作简单，形象生动地演示了形状记忆合金的形状记忆效果，能够激发学生的学习兴趣，引起学生的学习欲望，培养学生科学实验素养，有效地培养学生的观察能力和实践动手能力。
附图说明
图1为本发明一种演示记忆合金形状记忆效应的实验系统结构示意图；
图2为本发明提供的记忆合金弹簧连接体演示效果示意图。
图中，1、风机，2、电加热器，3、单向导轨，4、第一带档脚的弹簧支架，5、热致伸长记忆弹簧，6、热致压缩记忆弹簧，7、玻璃圆筒，8、控制器，9、正向开关，10、反向开关，11、玻璃圆筒出口，12、第二带档脚的弹簧支架，13、第三带档脚的弹簧支架。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。
如图1所示，一种演示记忆合金形状记忆效应的实验系统，包括：
由风机1)、电加热器2)和控制器8)组成的用于向玻璃圆筒7)提供热风或冷风的送风系统；
由第一带档脚的弹簧支架4)、热致伸长记忆弹簧5)、热致压缩记忆弹簧6)、第二带档脚的弹簧支架12)、第三带档脚的弹簧支架13)组成的记忆合金弹簧连接体；
用于限制记忆合金弹簧连接体运动方向的并设有楔形沟槽的单向轨道3)；
所述风机1、电加热器2分别与控制器8相连接，电加热器2安装在风机1的出口处，风机1的出口与玻璃圆筒7的进口相连接，玻璃圆筒7还设有玻璃圆筒出口11，单向轨道3安装于玻璃圆筒7的中下部，第一带档脚的弹簧支架4的一端与热致伸长记忆弹簧5的一端相连接，热致伸长记忆弹簧5的另一端与第二带档脚的弹簧支架12的一端相连接，第二带档脚的弹簧支架12的另一端与热致压缩记忆弹簧6的一端相连接，热致压缩记忆弹簧6的另一端与第三带档脚的弹簧支架13相连接。
其中，控制器8上安装正向开关9和反向开关10，按下正向开关9时，风机1正转、电加热器2通电，热风从玻璃圆筒7的进口进入玻璃圆筒7；按下反向开关10时，风机1反转、电加热器2断电，冷风从玻璃圆筒出口11进入玻璃圆筒7。
其中，单向轨道3上的楔形沟槽的斜面与底面的夹角为30度，楔形沟槽的竖直面与底面的夹角为90度。
其中，单向轨道3的材料为木质、塑料或金属。
其中，热致伸长记忆弹簧5随着温度的升高而伸长，随着温度的降低而缩短；热致压缩记忆弹簧6随着温度的降低而伸长，随着温度的升高而缩短。
其中，第一带档脚的弹簧支架4、第二带档脚的弹簧支架12、第三带档脚的弹簧支架13的底部均设有档脚，档脚的高度与楔形沟槽的深度相等。
一种演示记忆合金形状记忆效应的实验系统的实验方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，按下正向开关9，风机1正转、电加热器2通电，热风从玻璃圆筒7的进口进入玻璃圆筒7，热致伸长记忆弹簧5随着温度的升高而伸长，热致压缩记忆弹簧6随着温度的升高而缩短，第一带档脚的弹簧支架4、第二带档脚的弹簧支架12、第三带档脚的弹簧支架13底部的档脚受到单向轨道3上楔形沟槽的限制，记忆合金弹簧连接体会沿着单向轨道3不受限制的方向移动。
步骤二，按下反向开关10，风机1反转、电加热器2断电，冷风从玻璃圆筒出口11进入玻璃圆筒7，热致伸长记忆弹簧5随着温度的降低而缩短，热致压缩记忆弹簧6随着温度的降低而伸长，第一带档脚的弹簧支架4、第二带档脚的弹簧支架12、第三带档脚的弹簧支架13底部的档脚受到单向轨道3上楔形沟槽的限制，记忆合金弹簧连接体会沿着单向轨道3不受限制的方向移动。
步骤三，重复步骤一、步骤二操作，直至记忆合金弹簧连接体移动至玻璃圆筒出口11或玻璃圆筒7的进口，实验结束。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种演示记忆合金形状记忆效应的实验系统的实验方法，所述的实验系统包括：
由风机(1)、电加热器(2)和控制器(8)组成的用于向玻璃圆筒(7)提供热风或冷风的送风系统；
由第一带档脚的弹簧支架(4)、热致伸长记忆弹簧(5)、热致压缩记忆弹簧(6)、第二带档脚的弹簧支架(12)、第三带档脚的弹簧支架(13)组成的记忆合金弹簧连接体；
用于限制记忆合金弹簧连接体运动方向的并设有楔形沟槽的单向轨道(3)；
其特征在于，所述风机(1)、电加热器(2)分别与控制器(8)相连接，电加热器(2)安装在风机(1)的出口处，风机(1)的出口与玻璃圆筒(7)的进口相连接，玻璃圆筒(7)还设有玻璃圆筒出口(11)，单向轨道(3)安装于玻璃圆筒(7)的中下部，第一带档脚的弹簧支架(4)的一端与热致伸长记忆弹簧(5)的一端相连接，热致伸长记忆弹簧(5)的另一端与第二带档脚的弹簧支架(12)的一端相连接，第二带档脚的弹簧支架(12)的另一端与热致压缩记忆弹簧(6)的一端相连接，热致压缩记忆弹簧(6)的另一端与第三带档脚的弹簧支架(13)相连接；
该实验方法包括以下步骤：
步骤一，按下正向开关(9)，风机(1)正转、电加热器(2)通电，热风从玻璃圆筒(7)的进口进入玻璃圆筒(7)，热致伸长记忆弹簧(5)随着温度的升高而伸长，热致压缩记忆弹簧(6)随着温度的升高而缩短，第一带档脚的弹簧支架(4)、第二带档脚的弹簧支架(12)、第三带档脚的弹簧支架(13)底部的档脚受到单向轨道(3)上楔形沟槽的限制，记忆合金弹簧连接体会沿着单向轨道(3)不受限制的方向移动；
步骤二，按下反向开关(10)，风机(1)反转、电加热器(2)断电，冷风从玻璃圆筒出口(11)进入玻璃圆筒(7)，热致伸长记忆弹簧(5)随着温度的降低而缩短，热致压缩记忆弹簧(6)随着温度的降低而伸长，第一带档脚的弹簧支架(4)、第二带档脚的弹簧支架(12)、第三带档脚的弹簧支架(13)底部的档脚受到单向轨道(3)上楔形沟槽的限制，记忆合金弹簧连接体会沿着单向轨道(3)不受限制的方向移动；
步骤三，重复步骤一、步骤二操作，直至记忆合金弹簧连接体移动至玻璃圆筒出口(11)或玻璃圆筒(7)的进口，实验结束。
2.根据权利要求1所述的一种演示记忆合金形状记忆效应的实验系统的实验方法，其特征在于：所述控制器(8)上安装正向开关(9)和反向开关(10)，按下正向开关(9)时，风机(1)正转、电加热器(2)通电，热风从玻璃圆筒(7)的进口进入玻璃圆筒(7)；按下反向开关(10)时，风机(1)反转、电加热器(2)断电，冷风从玻璃圆筒出口(11)进入玻璃圆筒(7)。
3.根据权利要求1所述的一种演示记忆合金形状记忆效应的实验系统的实验方法，其特征在于：所述单向轨道(3)上的楔形沟槽的斜面与底面的夹角为30度，楔形沟槽的竖直面与底面的夹角为90度。
4.根据权利要求1所述的一种演示记忆合金形状记忆效应的实验系统的实验方法，其特征在于：所述单向轨道(3)的材料为木质、塑料或金属。
5.根据权利要求1所述的一种演示记忆合金形状记忆效应的实验系统的实验方法，其特征在于：所述热致伸长记忆弹簧(5)随着温度的升高而伸长，随着温度的降低而缩短；热致压缩记忆弹簧(6)随着温度的降低而伸长，随着温度的升高而缩短。
6.根据权利要求1所述的一种演示记忆合金形状记忆效应的实验系统的实验方法，其特征在于：所述第一带档脚的弹簧支架(4)、第二带档脚的弹簧支架(12)、第三带档脚的弹簧支架(13)的底部均设有档脚，档脚的高度与楔形沟槽的深度相等。
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