CN109285431B - 一种演示毕奥-萨法尔定律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毕奥‑萨法尔定律的实验系统及实验方法，系统包括箱体、控制面板、气垫导轨、气体压缩机、磁性滑块、静电转盘、电刷和静电起电器。本发明的优点在于通过一种演示毕奥‑萨法尔定律的实验系统及实验方法，根据带电圆盘的转动制造环形电流以激发磁场，并推动磁铁滑动达到演示毕奥‑萨法尔定律的效果。仪器操作简单，形象生动地演示电流激发磁场的特性，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。
Description
技术领域
本发明涉及物理演示实验技术领域，具体涉及一种演示毕奥-萨法尔定律的实验系统及实验方法。
背景技术
毕奥-萨法尔定律是电磁学中的一个重要的定律，它阐释了电流和其所激发磁场之间的定量关系。此定律指出：一段电流元在某点产生的磁感应强度的大小与电流元的大小成正比，与电流元和电流元到该点的矢径间的夹角的正弦成正比，而与电流元到该点的平方成反比，再根据叠加原理，该点总的磁场是各个电流元在该点产生的磁场的矢量和。从电流的产生形式看，电流可以存在于导线中，也可以通过静电荷的运动产生。如一个带电的圆盘在绕轴旋转时，便在转盘的表面产生了电流，且电流的强度随着圆盘的转速变化，因此在圆盘的周围便产生了磁场。要想直接观察磁场的有无和强弱，需要借用其在力学上的表现。由于磁铁可以在具有磁场梯度的区域收到力的作用，因此借助磁铁在磁场力的作用下的运动来表现磁场的产生和变化。此外，建立无摩擦的环境来进一步增强实验的演示效果，气垫导轨可以使磁铁悬浮起来，一个很弱的磁场力都会使其运动起来，从而使实验现象更为明显。
由于毕奥-萨法尔定律是用数学表示的定律，很难理解，因此设计一种有趣的实验系统来展现电流激发磁场的规律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。系统的设计同时需要做到结构简单，操作简便且形象有趣。本发明以旋转的静电转盘和气垫导轨为主体器件设计了一种演示毕奥-萨法尔定律的实验系统。
发明内容
本发明的目的在于提供一种演示毕奥-萨法尔定律的实验系统及实验方法，其根据带电圆盘的转动制造环形电流以激发磁场，并推动磁铁滑动达到演示毕奥-萨法尔定律的效果。
本发明通过以下技术方案来实现上述目的：
一种演示毕奥-萨法尔定律的实验系统，包括箱体、控制面板、气垫导轨、气体压缩机、磁性滑块、静电转盘、电刷和静电起电器；
所述箱体由透明的封板拼装而成，且箱体的顶部封板设为可开闭结构，所述控制面板设在箱体的其中一侧封板上，所述气垫导轨横向设在箱体内部，所述气体压缩机与气垫导轨连接，用于为气垫导轨提供气源，所述磁性滑块活动设置在气垫导轨上，所述静电转盘有两个，分别对立设在气垫导轨的两端头处，且使气垫导轨位于两个静电转盘的圆心连线上，所述电刷有两个，分别与两个静电转盘的内盘面接触，所述静电起电器通过导线分别与两个电刷连接。
进一步改进在于，所述控制面板上设有用于控制实验系统电源通断的电源开关，以及用于控制静电转盘转动方向的反向开关，以及用于调节静电转盘转动速度的转速调节旋钮，以及用于调节静电起电器输出电量的电量调节旋钮。
进一步改进在于，所述气垫导轨由中空三棱柱体和挡板组成，所述中空三棱柱体为铝制密封结构，中空三棱柱体的其中一个侧面水平朝下，且在此侧面上开有进气孔，用于连接气体压缩机，在中空三棱柱体的另两个侧面上均开有若干排细密的出气孔，所述挡板有两块，分别设在中空三棱柱体的两端底面上；
所述磁性滑块由V形滑片和条形磁铁组成，所述V形滑片倒扣在气垫导轨的中空三棱柱体上，所述条形磁铁沿着平行于气垫导轨的方向设在V形滑片上端。
进一步改进在于，所述中空三棱柱体的横截面呈等边三角形，所述V形滑片的张角为60°。
进一步改进在于，所述条形磁铁上设有N极和S极的标志。
进一步改进在于，所述静电转盘由旋转电机、绝缘转盘、色块和圆薄铜片组成，所述旋转电机的输出轴水平朝向箱体内侧，所述绝缘转盘连接在旋转电机的输出轴上，所述色块标志在绝缘转盘的圆周边缘，所述圆薄铜片与绝缘转盘半径相同，圆薄铜片贴在绝缘转盘的内盘面上。
一种演示毕奥-萨法尔定律的实验方法，其基于上述实验系统，包括以下步骤：
步骤一、打开气体压缩机，使气体从气垫导轨上端喷出，然后打开箱体的顶部封板，将磁性滑块放在气垫导轨的三分之一处，盖上顶部封板；
步骤二、通过控制面板打开实验系统电源，使静电起电器开始给静电转盘供电，同时两个静电转盘开始转动，在两个静电转盘之间产生磁场，磁性滑块在磁场力的作用下开始滑动；
步骤三、当磁性滑块滑到气垫导轨的一侧时，通过控制面板控制两个静电转盘反向转动，磁场反向，磁性滑块反向运动；
步骤四、通过控制面板调节静电起电器输出电量，重复步骤三，观察磁性滑块的运动；
步骤五、通过控制面板调节静电转盘的转动速度，重复步骤三，观察磁性滑块的运动；
步骤六、通过控制面板关闭实验系统电源，打开箱体的顶部封板，取出磁性滑块，关闭气体压缩机，盖上顶部封板，实验结束。
本发明的有益效果在于：本发明通过一种演示毕奥-萨法尔定律的实验系统及实验方法，根据带电圆盘的转动制造环形电流以激发磁场，并推动磁铁滑动达到演示毕奥-萨法尔定律的效果。仪器操作简单，形象生动地演示电流激发磁场的特性，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为本发明的整体结构示意图；
图2为气垫导轨的结构示意图；
图3为磁性滑块的结构示意图；
图4为静电转盘的结构示意图；
图中：1-箱体，2-控制面板，21-电源开关，22-反向开关，23-转速调节旋钮，24-电量调节旋钮，3-气垫导轨，31-中空三棱柱体，32-挡板，33-进气孔，34-出气孔，4-气体压缩机，5-磁性滑块，51-V形滑片，52-条形磁铁，6-静电转盘，61-旋转电机，62-绝缘转盘，63-色块，64-圆薄铜片，7-电刷，8-静电起电器。
具体实施方式
下面结合附图对本申请作进一步详细描述，有必要在此指出的是，以下具体实施方式只用于对本申请进行进一步的说明，不能理解为对本申请保护范围的限制，该领域的技术人员可以根据上述申请内容对本申请作出一些非本质的改进和调整。
结合图1至图4所示，一种演示毕奥-萨法尔定律的实验系统的实施例结构，其包括箱体1、控制面板2、气垫导轨3、气体压缩机4、磁性滑块5、静电转盘6、电刷7和静电起电器8。箱体1由透明的封板拼装而成，且箱体1的顶部封板设为可开闭结构，可以手动打开，控制面板2设在箱体1的其中一侧封板上，气垫导轨3横向设在箱体1内部，气体压缩机4与气垫导轨3连接，用于为气垫导轨3提供气源，磁性滑块5活动设置在气垫导轨3上，静电转盘6有两个，分别对立设在气垫导轨3的两端头处，且使气垫导轨3位于两个静电转盘6的圆心连线上；电刷7有两个，分别与两个静电转盘6的内盘面接触，静电起电器8通过导线分别与两个电刷7连接。在实验系统接通电源后，两个静电转盘2构成了环形电流发生系统，静电起电器8和电刷7作为静电供给系统。
其中，控制面板2上设有用于控制实验系统电源通断的电源开关21，以及用于控制静电转盘6转动方向的反向开关22，以及用于调节静电转盘6转动速度的转速调节旋钮23，以及用于调节静电起电器8输出电量的电量调节旋钮24。
气垫导轨3由中空三棱柱体31和挡板32组成，中空三棱柱体31为铝制密封结构，中空三棱柱体31的其中一个侧面水平朝下，且在此侧面上开有孔径较大的进气孔33，用于连接气体压缩机4，在中空三棱柱体31的另两个侧面上均开有若干排细密的出气孔34，一般为三排；挡板32有两块，分别设在中空三棱柱体31的两端底面上，用于安装中空三棱柱体31和保护磁性滑块5不会滑落；磁性滑块5由V形滑片51和条形磁铁52组成，V形滑片51倒扣在气垫导轨3的中空三棱柱体31上，条形磁铁52沿着平行于气垫导轨3的方向设在V形滑片51上端。
另外，中空三棱柱体31的横截面呈等边三角形，V形滑片51的张角为60°。在出气孔34喷气出来时，会形成对V形滑片51的向上推动力，在接触面上形成一层气垫，使磁性滑块5悬空或接近悬空状态，减少摩擦力对实验的影响。条形磁铁52上设有N极和S极的标志，以区分磁铁的北极和南极。
静电转盘6由旋转电机61、绝缘转盘62、色块63和圆薄铜片64组成，旋转电机61为可双向转动的变速直流电机，其输出轴水平朝向箱体1内侧，绝缘转盘62连接在旋转电机61的输出轴上，色块63标志在绝缘转盘62的圆周边缘，圆薄铜片64与绝缘转盘62半径相同，圆薄铜片64贴在绝缘转盘62的内盘面上。
一种演示毕奥-萨法尔定律的实验方法，其基于上述实验系统，包括以下步骤：
步骤一、打开气体压缩机4，使气体从气垫导轨3上端喷出，然后打开箱体1的顶部封板，将磁性滑块5放在气垫导轨3的三分之一处，盖上顶部封板；
步骤二、通过控制面板2上电源开关21的打开实验系统电源，使静电起电器8开始给静电转盘6供电，同时两个静电转盘6开始转动，在两个静电转盘6之间产生磁场，磁性滑块5在磁场力的作用下开始滑动；
步骤三、当磁性滑块5滑到气垫导轨3的一侧时，通过控制面板2上的反向开关22控制两个静电转盘6反向转动，磁场反向，磁性滑块5反向运动；
步骤四、通过控制面板2上的电量调节旋钮24调节静电起电器8输出电量，重复步骤三，观察磁性滑块5的运动；
步骤五、通过控制面板2上的转速调节旋钮23调节静电转盘6的转动速度，重复步骤三，观察磁性滑块5的运动；
步骤六、通过控制面板2关闭实验系统电源，打开箱体1的顶部封板，取出磁性滑块5，关闭气体压缩机4，盖上顶部封板，实验结束。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种演示毕奥-萨法尔定律的实验方法，其特征在于：所述实验方法基于实验系统进行，所述实验系统包括箱体(1)、控制面板(2)、气垫导轨(3)、气体压缩机(4)、磁性滑块(5)、静电转盘(6)、电刷(7)和静电起电器(8)；
所述箱体(1)由透明的封板拼装而成，且箱体(1)的顶部封板设为可开闭结构，所述控制面板(2)设在箱体(1)的其中一侧封板上，所述气垫导轨(3)横向设在箱体(1)内部，所述气体压缩机(4)与气垫导轨(3)连接，用于为气垫导轨(3)提供气源，所述磁性滑块(5)活动设置在气垫导轨(3)上，所述静电转盘(6)有两个，分别对立设在气垫导轨(3)的两端头处，且使气垫导轨(3)位于两个静电转盘(6)的圆心连线上，所述电刷(7)有两个，分别与两个静电转盘(6)的内盘面接触，所述静电起电器(8)通过导线分别与两个电刷(7)连接；
所述控制面板(2)上设有用于控制实验系统电源通断的电源开关(21)，以及用于控制静电转盘(6)转动方向的反向开关(22)，以及用于调节静电转盘(6)转动速度的转速调节旋钮(23)，以及用于调节静电起电器(8)输出电量的电量调节旋钮(24)；
所述静电转盘(6)由旋转电机(61)、绝缘转盘(62)、色块(63)和圆薄铜片(64)组成，所述旋转电机(61)的输出轴水平朝向箱体(1)内侧，所述绝缘转盘(62)连接在旋转电机(61)的输出轴上，所述色块(63)标志在绝缘转盘(62)的圆周边缘，所述圆薄铜片(64)与绝缘转盘(62)半径相同，圆薄铜片(64)贴在绝缘转盘(62)的内盘面上；
所述实验方法包括以下步骤：
步骤一、打开气体压缩机(4)，使气体从气垫导轨(3)上端喷出，然后打开箱体(1)的顶部封板，将磁性滑块(5)放在气垫导轨(3)的三分之一处，盖上顶部封板；
步骤二、通过控制面板(2)打开实验系统电源，使静电起电器(8)开始给静电转盘(6)供电，同时两个静电转盘(6)开始转动，在两个静电转盘(6)之间产生磁场，磁性滑块(5)在磁场力的作用下开始滑动；
步骤三、当磁性滑块(5)滑到气垫导轨(3)的一侧时，通过控制面板(2)控制两个静电转盘(6)反向转动，磁场反向，磁性滑块(5)反向运动；
步骤四、通过控制面板(2)调节静电起电器(8)输出电量，重复步骤三，观察磁性滑块(5)的运动；
步骤五、通过控制面板(2)调节静电转盘(6)的转动速度，重复步骤三，观察磁性滑块(5)的运动；
步骤六、通过控制面板(2)关闭实验系统电源，打开箱体(1)的顶部封板，取出磁性滑块(5)，关闭气体压缩机(4)，盖上顶部封板，实验结束。
2.根据权利要求1所述的一种演示毕奥-萨法尔定律的实验方法，其特征在于：所述气垫导轨(3)由中空三棱柱体(31)和挡板(32)组成，所述中空三棱柱体(31)为铝制密封结构，中空三棱柱体(31)的其中一个侧面水平朝下，且在此侧面上开有进气孔(33)，用于连接气体压缩机(4)，在中空三棱柱体(31)的另两个侧面上均开有若干排细密的出气孔(34)，所述挡板(32)有两块，分别设在中空三棱柱体(31)的两端底面上；
所述磁性滑块(5)由V形滑片(51)和条形磁铁(52)组成，所述V形滑片(51)倒扣在气垫导轨(3)的中空三棱柱体(31)上，所述条形磁铁(52)沿着平行于气垫导轨(3)的方向设在V形滑片(51)上端。
3.根据权利要求2所述的一种演示毕奥-萨法尔定律的实验方法，其特征在于：所述中空三棱柱体(31)的横截面呈等边三角形，所述V形滑片(51)的张角为60°。
4.根据权利要求2所述的一种演示毕奥-萨法尔定律的实验方法，其特征在于：所述条形磁铁(52)上设有N极和S极的标志。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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