CN109410719B - 一种安培力、洛伦兹力演示仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种安培力、洛伦兹力演示仪，属于教学仪器技术领域，其包括安装载体、反应装置以及数据采集装置；反应装置包括反应容器、导电液体、导电片、导电柱、半圆形挡光片、电磁铁、两第一接线端子以及两第二接线端子；数据采集装置包括主控模块、光电门模块以及显示模块，光电门模块和显示模块均与主控模块电性连接；光电门模块用于采集半圆形挡光片在导电液体液面旋转半个周期的时间t，并将该时间t发送至主控模块，主控模块再将时间t发送至显示模块进行显示；本发明适用于课堂演示安培力及洛伦兹力，解决了现有演示仪实验效果不明显及缺少数据支撑的问题，引导学生快速地理解安培力与洛伦兹力。

Description

一种安培力、洛伦兹力演示仪

技术领域

本发明涉及教学仪器技术领域，特别涉及一种安培力、洛伦兹力演示仪。

背景技术

安培力与洛伦兹力是高中物理的重要内容，是学习电学与力学知识的基础，因此掌握并理解安培力与洛伦兹力对于学好高中物理十分重要；但是，如何引导学生理解安培力与洛伦兹力的概念以及安培力与洛伦兹力之间的关联是学生学习的重难点，而利用简单器材演示安培力与洛伦兹力是突破这些重难点的有效策略之一。《高中物理新课标教材选修3-1》【2010年第3版】“磁场对通电导线的作用力”这一节学习内容采用“旋转的液体”演示安培力；在该实验中，存在以下三个问题：第一，电解食盐水会产生有毒气体氯气，对人体有害，不宜在课堂上展示。第二，“旋转的液体”该实验本身无法留下运动轨迹，学生只能通过观测液体的流动，而液体是澄清透明，无法明显的演示出旋转现象；如果采取投入木屑等轻小物体，若操作不严谨，木屑等轻小物体会被两电极所吸引，同样不利于现象的观察。第三，课程教学所用的蹄形磁铁过小，磁性过小，一般在4.0mT左右；这样，会导致液体的旋转不明显，而且蹄形磁铁会阻碍观察实验现象，不利于在课堂上演示。

目前，许多人根据该实验研发出了洛伦兹力演示仪，不过现有的洛伦兹力演示仪一般都会存在难以在课堂上展示或者缺少数据支撑的缺点，增加了学生对安培力与洛伦兹力的理解难度，因此都不适合在课堂中做演示实验。

发明内容

鉴于以上内容，有必要提供一种适用于课堂演示的安培力、洛伦兹力演示仪，用于解决现有演示仪实验效果不明显及缺少数据支撑的问题，引导学生快速地理解安培力与洛伦兹力。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种安培力、洛伦兹力演示仪，包括：安装载体、反应装置以及数据采集装置；

所述反应装置包括反应容器、导电液体、导电片、导电柱、半圆形挡光片、电磁铁、两第一接线端子以及两第二接线端子；所述反应容器采用透明材料，其设于所述安装载体上，所述导电液体容置在所述反应容器内；所述导电片设于所述反应容器的内侧壁上，所述导电柱竖直地设置在所述反应容器内；所述半圆形挡光片通过套环活动地套设在所述导电柱上，并漂浮在所述导电液体的液面，所述套环与所述半圆形挡光片同心设置；所述电磁铁设于所述安装载体上，并位于所述反应容器的正下方，所述电磁铁包括铁芯和套设在所述铁芯外侧的励磁线圈，所述励磁线圈的轴向方向与所述反应容器的底部垂直设置，所述励磁线圈具有两第三接线端子；所述两第一接线端子和所述两第二接线端子均设于所述安装载体上，所述两第一接线端子分别与所述导电片及所述导电柱电性连接，所述两第二接线端子分别与所述两第三接线端子电性连接；

所述数据采集装置包括主控模块、光电门模块以及显示模块；所述主控模块、所述光电门模块以及所述显示模块均设于所述安装载体上，且所述光电门模块和所述显示模块均与所述主控模块电性连接；所述光电门模块的信号发射部位与信号接收部位上下相对设置，所述光电门模块的信号发射部位设于所述反应容器的正上方或正下方，所述光电门模块的信号发射部位到所述导电柱轴心的距离小于所述半圆形挡光片的半径；所述光电门模块用于采集所述半圆形挡光片在所述导电液体液面旋转半个周期的时间t，并将该时间t发送至所述主控模块，所述主控模块再将时间t发送至所述显示模块进行显示。

优选地，所述安装载体的材料为有机玻璃，所述安装载体包括自下而上依次连接的第一箱体、第二箱体以及演示隔层；所述主控模块和所述显示模块均设于所述第一箱体内，所述两第一接线端子和所述两第二接线端子均设于所述第一箱体的外侧，所述电磁铁设于所述第二箱体内，所述反应容器设于所述演示隔层内，所述光电门模块设于所述演示隔层内并延伸至所述第二箱体内。这样设置，不仅可以将所述反应装置和所述数据采集装置有层次地展开，而且学生在观测实验现象的同时，还能够透过有机玻璃清楚地了解本发明的内部结构，从而分析本发明的工作原理；因此，所述安装载体不仅在外表上突出了演示仪的主题，而且它对整个实验演示的直观性起着关键性作用。

优选地，所述导电片及所述导电柱的材料均为铜。铜是良好的导电材料，使得所述导电片和所述导电柱具有较好的导电性能。

优选地，所述导电片呈环状，并与所述导电柱同心设置。这样设置，使得所述导电液体及带电粒子的定向运动现象更加明显，便于学生进行观察。

优选地，所述反应容器为白色圆筒状塑料皿。白色圆筒状塑料皿在实验室中较为常见，具有取材容易、方便观察以及成本低等优点。

优选地，所述安装载体上设有磁场开关，一所述第二接线端子通过所述磁场开关与一所述第三接线端子电性连接。所述磁场开关的设置，方便实验老师根据实验需要控制所述励磁线圈工作或者停止。

优选地，所述主控模块为Arduino控制板。Arduino是一款便捷灵活、方便上手的开源硬件产品，其在开放性、易用性、交流性等方面均具有较强的优势，而且还具有丰富的第三方资源，便于产品的开发与设计。

优选地，所述显示模块为LCD显示屏。LCD显示屏具有取材容易、成本较低、方便设计以及显示效果佳等优点。

优选地，所述导电液体为硫酸钠溶液。这样设置，避免实验演示过程中产生有害气体。

由于采用上述技术方案，本发明具有以下有益效果：

1.本发明将安培力及洛伦兹力的作用可视化，通过半圆形挡光片的旋转情况来间接体现导电液体和带电粒子分别在安培力及洛伦兹力作用下的运动现象；其中，半圆形挡光片套设在导电柱上，使得半圆形挡光片环绕导电柱旋转，避免出现半圆形挡光片四处飘动的情况，更有利于实验现象的观测；本发明还通过光电门模块来采集半圆形挡光片在导电液体液面旋转半个周期的时间t，并将该时间t发送至主控模块，主控模块再将时间t发送至显示模块进行显示；这样，学生便可以根据时间t快速地计算出半圆形挡光片在导电液体液面旋转一个周期的时间T，T＝2t；由于导电液体所受安培力或带电粒子所受洛伦兹力大小均与半圆形挡光片受力旋转一周的时间T成反比关系；时间T越大，说明导电液体所受安培力或带电粒子所受洛伦兹力越小；时间T越小，说明导电液体所受安培力或带电粒子所受洛伦兹力越大；因此，学生可以通过时间T的大小来直观地判断导电液体及带电粒子的运动情况；此外，当微小改变电流或磁场大小时，学生通过观察时间t的变化，可以清晰地知道导电液体的旋转状态是变快还是变慢了，避免人为的视觉误差，提高实验观察的准确性，具有良好的实用性。

2.本发明能够让学生定性地分析安培力及洛伦兹力与通电电流以及磁感应强度成正相关，学生可在教师的演示引导下更好地理解影响安培力及洛伦兹力的因素；本发明既可以演示物体受到安培力的运动情况，也可以演示带电粒子受到洛伦兹力的运动情况，进而帮助学生理解安培力和洛伦兹力之间的区别和本质联系，便于学生突破这一电磁学难点。

3.本发明运用于实验演示，做到了学科交叉，将物理实验与化学中的电解相关知识结合，促进了学生知识面的学科融合；本发明采用硫酸钠溶液作为导电液体，阴极反应式为：2H⁺+2e^-＝H₂，阳极反应式为：Cu-2e^-＝Cu²⁺；实验过程中，不会产生有害气体，且导电柱(阳极)表面不会产生气泡，避免对半圆形挡光片的运动造成阻碍，确保时间t的测量更加精确。

4.本发明具有装置一体化、演示方便、耗材低以及取材方便等优点；此外，本发明的安装载体采用全透明设计，让学生从本质上了解本发明的工作原理，激发学生的学习兴趣。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是图1的局部剖视图；

图3是本发明的半圆形挡光片的安装示意图；

图4是本发明的数据采集装置的原理图。

图中主要元件符号说明如下：

附图中，1-安装载体、2-第一箱体、3-第二箱体、4-演示隔层、5-反应容器、6-导电液体、7-导电片、8-导电柱、9-半圆形挡光片、10-套环、11-第一接线端子、12-第二接线端子、13-电磁铁、14-铁芯、15-励磁线圈、16-第三接线端子、17-磁场开关、18-数据采集装置、19-主控模块、20-光电门模块、21-显示模块。

如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。

具体实施方式

请参阅图1-4，在本发明的一种安培力、洛伦兹力演示仪较佳实施方式中，一种安培力、洛伦兹力演示仪包括安装载体1、反应装置以及数据采集装置18。其中，安装载体1的材料为有机玻璃，安装载体1包括自下而上依次连接的第一箱体2、第二箱体3以及演示隔层4。

反应装置包括反应容器5、导电液体6、导电片7、导电柱8、半圆形挡光片9、电磁铁13、两第一接线端子11以及两第二接线端子12。反应容器5采用透明材料，其设于安装载体1上；优选地，反应容器5设于演示隔层4内。本实施例中，反应容器5为白色圆筒状塑料皿，白色圆筒状塑料皿在实验室中较为常见，具有取材容易、方便观察以及成本低等优点。导电液体6容置在反应容器5内，其中，导电液体6为硫酸钠溶液，避免实验演示过程中产生有害气体。导电片7设于反应容器5的内侧壁上，导电柱8竖直地设置在反应容器5内；本实施例中，导电片7及导电柱8的材料均为铜，铜是良好的导电材料，使得导电片7和导电柱8具有较好的导电性能。导电片7呈环状，并与导电柱8同心设置，使得导电液体6及带电粒子的定向运动现象更加明显，便于学生进行观察。半圆形挡光片9通过套环10活动地套设在导电柱8上，并漂浮在导电液体6的液面，套环10与半圆形挡光片9同心设置；这样，使得半圆形挡光片9环绕导电柱8旋转，避免出现半圆形挡光片9四处飘动的情况，更有利于实验现象的观测。实验时，将导电柱8作为阳极，将导电片7作为阴极，两电极连接学生电源；其中，阴极反应式为：2H++2e-＝H₂，阳极反应式为：Cu-2e-＝Cu²+；实验过程中，不会产生有害气体，且导电柱8表面不会产生气泡，避免对半圆形挡光片9的运动造成阻碍。

电磁铁13设于安装载体1上，并位于反应容器5的正下方；优选地，电磁铁13设于第二箱体3内。电磁铁13包括铁芯14和套设在铁芯14外侧的励磁线圈15，励磁线圈15的轴向方向与反应容器5的底部垂直设置，本实施例中，铁芯14自第二箱体3延伸至第一箱体2内。两第一接线端子11和两第二接线端子12均设于安装载体1上；优选地，两第一接线端子11和两第二接线端子12均设于第一箱体2的外侧。两第一接线端子11分别与导电片7及导电柱8电性连接。励磁线圈15具有两第三接线端子16，两第二接线端子12分别与两第三接线端子16电性连接。其中，安装载体1上设有磁场开关17，一第二接线端子12通过磁场开关17与一第三接线端子16电性连接；磁场开关17的设置，方便实验老师根据实验需要控制励磁线圈15工作或者停止。

数据采集装置18包括主控模块19、光电门模块20以及显示模块21，其中，主控模块19为Arduino控制板，Arduino是一款便捷灵活、方便上手的开源硬件产品，其在开放性、易用性、交流性等方面均具有较强的优势，而且还具有丰富的第三方资源，便于产品的开发与设计。显示模块21为LCD显示屏，LCD显示屏具有取材容易、成本较低、方便设计以及显示效果佳等优点。主控模块19、光电门模块20以及显示模块21均设于安装载体1上；优选地，主控模块19和显示模块21均设于第一箱体2内，光电门模块20设于演示隔层4内并延伸至第二箱体3内。光电门模块20和显示模块21均与主控模块19电性连接；光电门模块20的信号发射部位与信号接收部位上下相对设置，光电门模块20的信号发射部位设于反应容器5的正上方或正下方，光电门模块20的信号发射部位到导电柱8轴心的距离小于半圆形挡光片9的半径。

光电门模块20用于采集半圆形挡光片9在导电液体6液面旋转半个周期的时间t，并将该时间t发送至主控模块19，主控模块19再将时间t发送至显示模块21进行显示。这样，学生便可以根据时间t快速地计算出半圆形挡光片9在导电液体6液面旋转一个周期的时间T，T＝2t；由于导电液体6所受安培力或带电粒子所受洛伦兹力大小均与半圆形挡光片9受力旋转一周的时间T成反比关系；时间T越大，说明导电液体6所受安培力或带电粒子所受洛伦兹力越小；时间T越小，说明导电液体6所受安培力或带电粒子所受洛伦兹力越大；因此，学生可以通过时间T的大小来直观地判断导电液体6及带电粒子的运动状态；此外，当实验老师细微地改变电流或磁场大小时，学生通过观察时间t的变化，可以清晰地知道导电液体6的旋转状态是变快还是变慢了，避免人为的视觉误差，提高了实验观察的准确性，具有良好的实用性。

本发明能够让学生定性地分析安培力及洛伦兹力与通电电流以及磁感应强度成正相关，学生可在教师的演示引导下更好地理解影响安培力及洛伦兹力的因素，具体操作及实验结果如下：

(1)保持磁场电流不变，逐渐增大两电极间的电流，测量结果如表1所示，由表1可以看出：安培力大小与两电极间的电流大小成正相关。

表1

安培力F/10^(-3)N	电极间电流/A	周期周期T/s	磁场电流/A
				0.03	0.30	21.92	0.35
0.04	0.35	19.16	0.35
				0.06	0.40	16.50	0.35
0.07	0.45	15.62	0.35
				0.08	0.50	14.15	0.35
0.09	0.55	13.42	0.35
				0.10	0.60	12.47	0.35
0.12	0.65	11.64	0.35
				0.13	0.70	11.13	0.35
0.14	0.75	10.84	0.35
				0.14	0.80	10.56	0.35

(2)保持两电极间的电流不变，逐渐减小磁场电流，测量结果如表2所示，由表2可以看出：安培力大小与磁场电流大小(或磁感应强度)成正相关。

表2

安培力F/10^(-3)N	周期周期T/s	磁场电流/A	电极间电流/A
				0.383203	6.48	0.43	0.65
0.350042	6.78	0.40	0.65
				0.224822	8.46	0.35	0.65
0.101514	12.59	0.30	0.65
				0.046262	18.65	0.25	0.65
0.018718	29.32	0.20	0.65
				0.009070	42.12	0.15	0.65
0.004114	62.54	0.10	0.65

(3)改变两电极间的电流方向，保持磁场电流方向不变，观察到半圆形挡光片9旋转方向改变，由此可以看出：安培力的方向与两电极间的电流方向有关。

(4)改变磁场电流方向，保持两电极间的电流方向不变，观察到半圆形挡光片9旋转方向改变，由此可以看出：安培力的方向与磁场电流方向有关。

本发明将安培力及洛伦兹力的作用可视化，通过半圆形挡光片9的旋转情况来间接体现导电液体6和带电粒子分别在安培力及洛伦兹力作用下的运动现象；本发明既可以演示物体受到安培力的运动情况，也可以演示带电粒子受到洛伦兹力的运动情况，进而帮助学生理解安培力和洛伦兹力之间的区别和本质联系，便于学生突破这一电磁学难点。此外，本发明具有装置一体化、演示方便、耗材低以及取材方便等优点，值得推广。

上述说明是针对本发明较佳可行实施例的详细说明，但实施例并非用以限定本发明的专利申请范围，凡本发明所提示的技术精神下所完成的同等变化或修饰变更，均应属于本发明所涵盖专利范围。

Claims (9)

1.一种安培力、洛伦兹力演示仪，其特征在于，包括：安装载体、反应装置以及数据采集装置；

所述反应装置包括反应容器、导电液体、导电片、导电柱、半圆形挡光片、电磁铁、两第一接线端子以及两第二接线端子；所述反应容器采用透明材料，其设于所述安装载体上，所述导电液体容置在所述反应容器内；所述导电片设于所述反应容器的内侧壁上，所述导电柱竖直地设置在所述反应容器内；所述半圆形挡光片通过套环活动地套设在所述导电柱上，并漂浮在所述导电液体的液面，所述套环与所述半圆形挡光片同心设置；所述电磁铁设于所述安装载体上，并位于所述反应容器的正下方，所述电磁铁包括铁芯和套设在所述铁芯外侧的励磁线圈，所述励磁线圈的轴向方向与所述反应容器的底部垂直设置，所述励磁线圈具有两第三接线端子；所述两第一接线端子和所述两第二接线端子均设于所述安装载体上，所述两第一接线端子分别与所述导电片及所述导电柱电性连接，所述两第二接线端子分别与所述两第三接线端子电性连接；

所述数据采集装置包括主控模块、光电门模块以及显示模块；所述主控模块、所述光电门模块以及所述显示模块均设于所述安装载体上，且所述光电门模块和所述显示模块均与所述主控模块电性连接；所述光电门模块的信号发射部位与信号接收部位上下相对设置，所述光电门模块的信号发射部位设于所述反应容器的正上方或正下方，所述光电门模块的信号发射部位到所述导电柱轴心的距离小于所述半圆形挡光片的半径；所述光电门模块用于采集所述半圆形挡光片在所述导电液体液面旋转半个周期的时间t，并将该时间t发送至所述主控模块，所述主控模块再将时间t发送至所述显示模块进行显示。

2.根据权利要求1所述的一种安培力、洛伦兹力演示仪，其特征在于：所述安装载体的材料为有机玻璃，所述安装载体包括自下而上依次连接的第一箱体、第二箱体以及演示隔层；所述主控模块和所述显示模块均设于所述第一箱体内，所述两第一接线端子和所述两第二接线端子均设于所述第一箱体的外侧，所述电磁铁设于所述第二箱体内，所述反应容器设于所述演示隔层内，所述光电门模块设于所述演示隔层内并延伸至所述第二箱体内。

3.根据权利要求1所述的一种安培力、洛伦兹力演示仪，其特征在于：所述导电片及所述导电柱的材料均为铜。

4.根据权利要求3所述的一种安培力、洛伦兹力演示仪，其特征在于：所述导电片呈环状，并与所述导电柱同心设置。

5.根据权利要求1所述的一种安培力、洛伦兹力演示仪，其特征在于：所述反应容器为白色圆筒状塑料皿。

6.根据权利要求1所述的一种安培力、洛伦兹力演示仪，其特征在于：所述安装载体上设有磁场开关，一所述第二接线端子通过所述磁场开关与一所述第三接线端子电性连接。

7.根据权利要求1所述的一种安培力、洛伦兹力演示仪，其特征在于：所述主控模块为Arduino控制板。

8.根据权利要求1所述的一种安培力、洛伦兹力演示仪，其特征在于：所述显示模块为LCD显示屏。

9.根据权利要求1所述的一种安培力、洛伦兹力演示仪，其特征在于：所述导电液体为硫酸钠溶液。