CN107644576B - 一种智能动生电动势实验器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种智能动生电动势实验器，接近开关、左支撑板、角度分度盘、接线柱、线圈收紧装置、线圈支撑板、高斯计、感应线圈、皮带、电磁铁、控制器、右支撑板、连接杆、步进电机、微电压传感器、数据采集器和电脑；该实验器分别采用电磁铁、角度分度盘、感应线圈、步进电机和控制器等验证感应电动势E与磁感应强度B、磁感应线与感应线圈的夹角θ、导线切割磁感应线的长度L、速度V的关系，帮助学生深度理解法拉第电磁感应定律，误差不超过5%。

Description

一种智能动生电动势实验器

技术领域

本发明涉及一种智能动生电动势实验器，具体涉及一种运用控制变量法验证动生电动势的物理实验仪器，属于物理实验仪器技术领域。

背景技术

目前的高中物理教学，特别是在讲解法拉第电磁感应定律时，主要依附于理论上的讲解，很少有通过实验进一步的帮助学生巩固相关知识。目前关于动生电动势的实验器材大多数使用自由落体获得速度，因此速度难以控制且无法获得恒定的速度，另外做切割磁场线运动的时间太短，很难准确的测量感应电动势E。在高中物理教学中需要一个能够验证动生电动势的实验仪器，来帮助学生深度理解法拉第电磁感应定律。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种智能动生电动势实验器，该实验器能够运用控制变量法验证动生电动势E与B、L、V及θ的关系，帮助学生深度理解法拉第电磁感应定律。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种智能动生电动势实验器，包括两个接近开关、左支撑板、角度分度盘、十二个接线柱、十二个线圈收紧装置、线圈支撑板、高斯计、感应线圈、皮带、电磁铁、控制器、右支撑板、三个连接杆、步进电机、微电压传感器、数据采集器和数据分析器；

角度分度盘上有十一个大小相同的定位孔和一个半圆环形槽，且十一个定位孔与半圆环形槽构成一个圆圈，相邻两个定位孔的圆心与角度分度盘的圆心形成的角度为15度；角度分度盘固定于左支撑板右侧的上部中间，且左支撑板上有十四个与前述定位孔大小相同的定位孔，十四个定位孔构成一个与角度分度盘上圆圈大小相同的圆圈，其中有十三个定位孔，相邻两个定位孔的圆心与十四个定位孔构成的圆圈的圆心形成的角度为15度，且左支撑板最顶端的定位孔与角度分度盘的十一个定位孔相配合，左支撑板最底端的定位孔与角度分度盘的半圆环形槽相配合，使磁感应线与切割磁场线的导线的夹角0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°之间切换；

线圈支撑板的两端分别与角度分度盘、右支撑板左侧接触，感应线圈包括三组闭环线圈和三组开环线圈，且闭环线圈和开环线圈均绕制在线圈支撑板的其中一个侧面上，高斯计固定于该侧面上，该侧面与角度分度盘的其中一条直径位于同一平面上；十二个接线柱中，其中有六个接线柱固定于角度分度盘上，其他六个固定于右支撑板左侧，与角度分度盘上的接线柱相对设置，每个接线柱上均设有一个线圈收紧装置；闭环线圈和开环线圈的两端与接线柱连接；接线柱与微电压传感器连接，微电压传感器、高斯计分别与数据采集器连接，数据采集器与数据分析器连接；

左支撑板、右支撑板大小相同，且左支撑板右侧与右支撑板左侧相对设置，三个连接杆的两端均分别固定于左支撑板、右支撑板上，其中一个连接杆的两端分别固定于左支撑板底部中间、右支撑板底部中间，另外两个连接杆位于线圈支撑板下方，且相互平行；

电磁铁呈U型，U型底部设置在相互平行的两个连接杆上，且U型两侧的高度高于线圈支撑板的最大高度；皮带设置于相互平行的两个连接杆中间，带动电磁铁进行左右往返运动；两个接近开关分别设置于左支撑板右侧、右支撑板左侧，与电磁铁底部位于同一高度，电磁铁底部设有感应铁片，接近开关感应到感应铁片时，发送信号至控制器，控制器控制步进电机带动皮带运动，使皮带带动电磁铁往远离该接近开关的方向运动；电磁铁与电源连接。

作为本发明的一种优选方案，所述控制器包括arduino处理器和电机驱动，arduino处理器与接近开关连接，arduino处理器与电机驱动连接，电机驱动与步进电机连接。

作为本发明的一种优选方案，所述控制器还包括速度调节模块、液晶显示屏，速度调节模块、液晶显示屏分别与arduino处理器连接。

作为本发明的一种优选方案，所述控制器还包括启动按钮模块、停止按钮模块，启动按钮模块、停止按钮模块分别与arduino处理器连接。

作为本发明的一种优选方案，所述闭环线圈和开环线圈均绕制在线圈支撑板的其中一个侧面上，具体绕制方式为：线圈支撑板靠近左支撑板一侧绕制有闭环线圈，闭环线圈的两端与固定于角度分度盘上的接线柱连接，接线柱两两一组从上到下依次排列，其中，最上面一组接线柱连接的闭环线圈与最下面一组接线柱连接的闭环线圈的宽度相同且均小于线圈支撑板的宽度，中间一组接线柱连接的闭环线圈的宽度等于最上面一组接线柱连接的闭环线圈宽度的一半，所有闭环线圈的长度相同且均小于电磁铁两侧的长度；线圈支撑板靠近右支撑板一侧绕制有开环线圈，开环线圈的两端与固定于右支撑板左侧的接线柱连接，接线柱两两一组从上到下依次排列，其中，最上面一组接线柱连接的开环线圈与最下面一组接线柱连接的开环线圈的宽度与左侧最上面一组接线柱连接的闭环线圈的宽度相同，中间一组接线柱连接的开环线圈的宽度等于最上面一组接线柱连接的开环线圈宽度的一半，所有开环线圈的长度相同且均大于电磁铁两侧的长度；最上面一组接线柱连接的闭环线圈、开环线圈均绕制两圈，其他闭环线圈、开环线圈均绕制一圈。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1、本发明通过改变电磁铁线圈两端电压的大小即可以改变磁感应强度，通过高斯计测出磁感应强度B，从而验证动生电动势E与磁感应强度B的关系。

2、本发明通过特制的角度分度盘，以15°为单位也可以自由变化磁感应强度方向和感应线圈的夹角θ，从而验证动生电动势E与夹角θ的关系。

3、本发明使用三组闭环线圈和开环线圈，从而可以对比不同长度L导线切割磁感应线与动生电动势E的比例关系。

4、本发明使用步进电机、接近开关及控制器实现对电磁铁做往复运动及运动速度的控制，从而验证动生电动势E与速度V之间的关系。

附图说明

图1是本发明一种智能动生电动势实验器的结构示意图。

图2是本发明闭环线圈、开环线圈的绕制示意图。

图3是本发明一种智能动生电动势实验器左支撑板主视图。

图4是本发明一种智能动生电动势实验器角度分度盘主视图。

图5是本发明一种智能动生电动势实验器右支撑板侧视图。

其中，1-接近开关，2-左支撑板，3-角度分度盘，4-接线柱，5-线圈收紧装置，6-线圈支撑板，7-皮带，8-电磁铁，9-控制器，10-右支撑板，11-连接杆，12-步进电机。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

如图1所示，一种智能动生电动势实验器，包括接近开关1、左支撑板2、角度分度盘3、接线柱4、线圈收紧装置5、线圈支撑板6、皮带7、电磁铁8、控制器9、右支撑板10、连接杆11、步进电机12、微电压传感器、数据采集器和电脑(数据分析器)，其中线圈支撑板6其中一个侧面装有高斯计、缠绕感应线圈。电磁铁与电源连接，电源电压可呈线性变化。微电压传感器输入端连接在接线柱上，输出端与数据采集器连接，数据采集器将数据传输至电脑里。

实验器左、右支撑板以及角度分度盘、线圈支撑板是由有机玻璃通过数控铣床加工而成，因而能够十分清楚的体现实验器内部的结构。

如图3、图4所示，角度分度盘共有十一个定位孔及一个半圆环形槽，与之配合的实验器左支撑板有十四个孔。左支撑板最顶端的定位孔可以和角度分度盘的任意一个定位孔配合，左支撑板最底端的定位孔与圆弧形槽配合，磁感应线与切割磁场线的导线的夹角θ可以在0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°之间切换。当线圈支撑板位于竖直位置时，角度分度盘最顶端的定位孔与左支撑板最顶端的定位孔重合，磁感应线与切割磁场线的导线的夹角θ为90°；当线圈支撑板逆时针(或顺时针)旋转到水平位置，角度分度盘与线圈支撑板同时旋转，即左支撑板最底端的定位孔与角度分度盘上半圆环形槽的其中一端重合，磁感应线与切割磁场线的导线的夹角θ为0°。

如图2所示，感应线圈分为开环线圈和闭环线圈，开环线圈和闭环线圈各有三组，各自的绕制方式如图示。感应线圈绕在线圈支撑板其中一个侧面上，同时该侧面上安装有高斯计。感应线圈两端有线圈收紧装置。

控制器内部包括arduino处理器和电机驱动，控制器面板上有启动按钮、停止按钮、速度调节旋钮以及显示速度的液晶显示屏。

如图5所示，为右支撑板侧视图。

电磁铁通电后能够为实验提供稳定的磁场，高斯计能够测量出磁感应强度。电磁铁的左右往返运动，即线圈做切割磁感线运动，连接开环线圈的接线柱有感应电动势的产生，因为闭环线圈内部磁通量并未发生变化，所以连接闭环线圈的接线柱不会有感应电动势的产生。

实验器左支撑板和角度分度盘相配合，实验器左支撑板上有十四个定位孔，角度分度盘上有十一个定位孔和一个圆弧形槽。使用者可通过实验器支撑板与角度分度盘的配合以15°为单位调节磁感应强度方向和感应线圈的夹角θ，也可以通过角度测量仪器，随意改变θ。

线圈支撑板两端的线圈收紧装置，当未做切割磁感线运动的线圈因受洛伦兹力而变形或者松动时，可拧紧线圈收紧装置，以减少因线圈变化而带来的实验误差。

电磁铁底端有凸出的感应铁片，当接近开关感应到铁片时说明电磁铁运动到达极限位置，电磁铁将向反方向运动。

数据采集器采集到微电压传感器的数据之后，将数据传输到电脑中，经过软件分析能够显示时间t与感应电动势E的折线图。学生可通过所得数据计算得出相关结论以及相应的比例关系。经过反复论证和实验，本实验器的实验误差不超过5％。

通过本发明智能动生电动势实验器可验证电动势E与B、L、V及θ的关系。

保持电磁铁线圈两端电压不变使用高斯计测出此时磁感应强度B；将微电压传感器接在第二组接线柱上，此时切割磁场线的导线长度为L；调节速度控制旋钮使步进电机转速为一恒定值(如30r/min)；调节角度分度盘以改变磁感应线与切割磁场线的导线的夹角θ(如30°、45°、60°和90°等)；按下启动按钮分别测量不同夹角θ情况下E的值并记录，然后验证E与θ的关系。

保持电磁铁线圈两端电压不变使用高斯计测出此时磁感应强度B；将微电压传感器接在第二组接线柱上，此时切割磁场线的导线长度为L；调节角度分度盘以改变磁感应线与切割磁场线的导线的夹角θ，使θ＝90°；调节速度控制旋钮使步进电机转速V(10r/min、20r/min、30r/min和40r/min等)；按下启动按钮分别测试不同电机转速V情况下输出的E值并记录，然后验证E与V的关系。

保持电磁铁线圈两端电压不变使用高斯计测出此时磁感应强度B；调节速度控制旋钮使步进电机转速为一恒定值(如30r/min)；调节角度分度盘以改变磁感应线与切割磁场线的导线的夹角θ，使θ＝90°；按下启动按钮分别测试三组接线柱输出的E的值并记录，然后验证E与L之间的关系。

将微电压传感器接在第二组接线柱上，此时切割磁场线的导线长度为L；调节速度控制旋钮使步进电机转速为一恒定值(如30r/min)；调节角度分度盘以改变磁感应线与切割磁场线的导线的夹角θ，使θ＝90°；改变电磁铁的输入电压并且使用高斯计测量不同输入电压情况下对应的磁感应强度B；按下启动按钮测量在输入电压不同(磁感应强度B不同)的情况下E的值并记录，然后验证E与B之间的关系。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (5)

1.一种智能动生电动势实验器，其特征在于，包括两个接近开关(1)、左支撑板(2)、角度分度盘(3)、十二个接线柱(4)、十二个线圈收紧装置(5)、线圈支撑板(6)、高斯计、感应线圈、皮带(7)、电磁铁(8)、控制器(9)、右支撑板(10)、三个连接杆(11)、步进电机(12)、微电压传感器、数据采集器和数据分析器；

角度分度盘(3)上有十一个大小相同的定位孔和一个半圆环形槽，且十一个定位孔与半圆环形槽构成一个圆圈，相邻两个定位孔的圆心与角度分度盘(3)的圆心形成的角度为15度；角度分度盘(3)固定于左支撑板(2)右侧的上部中间，且左支撑板(2)上有十四个与前述定位孔大小相同的定位孔，十四个定位孔构成一个与角度分度盘上圆圈大小相同的圆圈，左支撑板(2)上十四个定位孔中有十三个定位孔，相邻两个定位孔的圆心与十四个定位孔构成的圆圈的圆心形成的角度为15度，且左支撑板(2)最顶端的定位孔与角度分度盘(3)的十一个定位孔相配合，左支撑板(2)最底端的定位孔与角度分度盘(3)的半圆环形槽相配合，使磁感应线与切割磁场线的导线的夹角在0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°之间切换；

线圈支撑板(6)的两端分别与角度分度盘(3)、右支撑板(10)左侧接触，感应线圈包括三组闭环线圈和三组开环线圈，且闭环线圈和开环线圈均绕制在线圈支撑板(6)的其中一个侧面上，高斯计固定于该侧面上，该侧面与角度分度盘(3)的其中一条直径位于同一平面上；十二个接线柱(4)中，其中有六个接线柱固定于角度分度盘上，其他六个固定于右支撑板左侧，与角度分度盘上的接线柱相对设置，每个接线柱(4)上均设有一个线圈收紧装置(5)；闭环线圈和开环线圈的两端与接线柱连接；接线柱与微电压传感器连接，微电压传感器、高斯计分别与数据采集器连接，数据采集器与数据分析器连接；

左支撑板(2)、右支撑板(10)大小相同，且左支撑板(2)右侧与右支撑板(10)左侧相对设置，三个连接杆(11)的两端均分别固定于左支撑板(2)、右支撑板(10)上，其中一个连接杆的两端分别固定于左支撑板(2)底部中间、右支撑板(10)底部中间，另外两个连接杆位于线圈支撑板(6)下方，且相互平行；

电磁铁(8)呈U型，U型底部设置在相互平行的两个连接杆上，且U型两侧的高度高于线圈支撑板(6)的最大高度；皮带(7)设置于相互平行的两个连接杆中间，带动电磁铁(8)进行左右往返运动；两个接近开关(1)分别设置于左支撑板(2)右侧、右支撑板(10)左侧，与电磁铁(8)底部位于同一高度，电磁铁(8)底部设有感应铁片，接近开关感应到感应铁片时，发送信号至控制器(9)，控制器(9)控制步进电机(12)带动皮带(7)运动，使皮带(7)带动电磁铁(8)往远离该接近开关的方向运动；电磁铁(8)与电源连接。

2.根据权利要求1所述智能动生电动势实验器，其特征在于，所述控制器(9)包括arduino处理器和电机驱动，arduino处理器与接近开关(1)连接，arduino处理器与电机驱动连接，电机驱动与步进电机(12)连接。

3.根据权利要求2所述智能动生电动势实验器，其特征在于，所述控制器(9)还包括速度调节模块、液晶显示屏，速度调节模块、液晶显示屏分别与arduino处理器连接。

4.根据权利要求2所述智能动生电动势实验器，其特征在于，所述控制器(9)还包括启动按钮模块、停止按钮模块，启动按钮模块、停止按钮模块分别与arduino处理器连接。

5.根据权利要求1所述智能动生电动势实验器，其特征在于，所述闭环线圈和开环线圈均绕制在线圈支撑板(6)的其中一个侧面上，具体绕制方式为：线圈支撑板(6)靠近左支撑板(2)一侧绕制有闭环线圈，闭环线圈的两端与固定于角度分度盘上的接线柱连接，接线柱两两一组从上到下依次排列，其中，最上面一组接线柱连接的闭环线圈与最下面一组接线柱连接的闭环线圈的宽度相同且均小于线圈支撑板(6)的宽度，中间一组接线柱连接的闭环线圈的宽度等于最上面一组接线柱连接的闭环线圈宽度的一半，所有闭环线圈的长度相同且均小于电磁铁(8)两侧的长度；线圈支撑板(6)靠近右支撑板(10)一侧绕制有开环线圈，开环线圈的两端与固定于右支撑板左侧的接线柱连接，接线柱两两一组从上到下依次排列，其中，最上面一组接线柱连接的开环线圈与最下面一组接线柱连接的开环线圈的宽度与左侧最上面一组接线柱连接的闭环线圈的宽度相同，中间一组接线柱连接的开环线圈的宽度等于最上面一组接线柱连接的开环线圈宽度的一半，所有开环线圈的长度相同且均大于电磁铁(8)两侧的长度；最上面一组接线柱连接的闭环线圈、开环线圈均绕制两圈，其他闭环线圈、开环线圈均绕制一圈。