CN110310551A - 基于3d打印及单片机技术楞次定律演示装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于3D打印及单片机技术楞次定律演示装置，包括：一壳体，所述壳体内设有：一直流电源、一直流升压模块，所述直流升压模块与所述直流电源连接，所述直流升压模块的输出端之间串接有一水泥电阻、一电解电容，其特征在于，还包括一线圈、一晶闸管，所述晶闸管的门级与所述电源正极连接，所述晶闸管的阴极连接在所述电解电容与所述电源负极之间，还包括一单片机，所述单片机连接所述直流升压模块，本发明通过可替换的线圈及配套不同的实验体结构，可以实现不同的效果演示，从而更加生动的为学生展示实验效果。更重要的是，加入了单片机进行测量和控制，可以实现精确的调整和功能的拓展。将传统定性实验定量化，便于控制变量研究。

Description

基于3D打印及单片机技术楞次定律演示装置

技术领域

本发明涉及一种演示装置，尤其涉及一种基于3D打印及单片机技术楞次 定律演示装置。

背景技术

楞次定律：感应电流具有这样的方向，即感应电流的磁场总要阻碍引起感 应电流的磁通量的变化。楞次定律还可表述为：感应电流的效果总是反抗引起 感应电流的原因。楞次定律公式：E＝vBL(v为杆在磁场中移动的速度)。楞 次定律(Lenz's law)是一条电磁学的定律，可以用来判断由电磁感应而产生的 电动势的方向。

物理是一门实验科学，出色的实验设计是提升教学效果、培养科学精神的 重要途径。而电磁感应这一章节又是整个高中物理学中最为抽象的一章，我的 前几届学生绝大部分能熟练地背出“增反减同，来拒去留”的口诀，也会用它 来解题，但是当细问其中原理时，却少有学生能说得明白。我觉得其最大根源 在于楞次定律的实验没有达到效果，对学生而言楞次定律仅仅是黑板上、在纸 面上的公式和口诀，而不是电和磁的内在联系。

现有技术中二期课改的教材，其中提供了一个物理DIS实验案例。和传统 实验的区别在于用电流传感器代替灵敏电流计，通过数据采集器将插拔磁铁产 生的电流在屏幕上反映出来或是绘制成I-t图像。学生想要顺利完成这个验证性 实验需要克服这几个难关，①能正确判断磁铁的磁通量方向，②能正确判断插 拔过程中磁通量大小变化，③能正确判断出+I和-I所对应的感应电流方向，④ 能根据感应电流正确判断出感应磁场方向，⑤能感受到“插拔”时受到的阻 力，⑥能感悟出“阻碍”。

此类验证性实验能较有效率地巩固相关知识，但学生往往成就感不高，思 维活动一般在“分析”水平以下，而“科学精神、学会学习、实践创新”这些 中学生核心素养所需要的“评价”、“创造”层面的高阶思维活动则较少能达 到。

发明内容

本发明公开了一种基于3D打印及单片机技术楞次定律演示装置，用以解 决现有技术中实验效果不理想的问题。

本发明的上述目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于3D打印及单片机技术楞次定律演示装置，包括：一壳体，所述 壳体内设有：一直流电源、一直流升压模块，所述直流升压模块与所述直流电 源连接，所述直流升压模块的输出端之间串接有一水泥电阻、一电解电容，其 特征在于，还包括一线圈、一晶闸管，所述晶闸管的门级与所述电源正极连 接，所述晶闸管的阴极连接在所述电解电容与所述电源负极之间，还包括一单 片机，所述单片机连接所述直流升压模块，所述晶闸管的阳极连接有一第一插 口，所述水泥电阻与所述电解电容之间连接有一第二插口；所述电源正极输出 端与所述直流升压模块之间串接有一第一开关；所述电源正极输出端与所述晶 闸管门级之间串接有一第二开关；所述第一插口、所述第二插口安装在所述壳 体上表面上；还包括线圈设置在所述壳体上表面上，所述线圈的两端口安装有 插针，两所述插针分别插入所述第一插口、所述第二插口。

如上所述的基于3D打印及单片机技术楞次定律演示装置，其中，所述线 圈固定在一线盘上，所述线盘上一侧盘面上安装有一支撑板，所述壳体上表面 具有一固定轴，所述固定轴穿过所述线盘的另一侧开口。

如上所述的基于3D打印及单片机技术楞次定律演示装置，其中，所述支 撑板上放置有实验体。

如上所述的基于3D打印及单片机技术楞次定律演示装置，其中，所述实 验体为铝环或铜片。

如上所述的基于3D打印及单片机技术楞次定律演示装置，其中，所述支 撑板上方设有一悬浮底座，所述悬浮底座上安装有一金属环、一磁生电线圈、 一照明灯，所述磁生电线圈的两端部为所述照明灯供电。

如上所述的基于3D打印及单片机技术楞次定律演示装置，其中，所述直 流电源为：锂离子电池。

如上所述的基于3D打印及单片机技术楞次定律演示装置，其中，所述第 二开关为两行程开关；所述第一插口、所述第二插口上还并联有二极管。

如上所述的基于3D打印及单片机技术楞次定律演示装置，其中，还包括 一单片机，所述单片机连接所述直流升压模块。

如上所述的基于3D打印及单片机技术楞次定律演示装置，其中，所述直 流电源上并接有一电压传感器，所述电压传感器连接所述单片机。

如上所述的基于3D打印及单片机技术楞次定律演示装置，其中，所述壳 体为一方形壳体，所述单片机上还连接有一显示屏，所述第一开关、所述第二 开关、所述显示屏安装在所述壳体的同侧表面上。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明解决了现有技术中实验方式 单一，且展示效果不理想的问题，本发明通过可替换的线圈及配套不同的实验 体结构，可以实现不同的效果演示，从而更加生动的为学生展示实验效果。更 重要的是，加入了单片机进行测量和控制，可以实现精确的调整和功能的拓 展。将传统定性实验定量化，便于控制变量研究。

附图说明

图1是本发明基于3D打印及单片机技术楞次定律演示装置的结构示意 图；

图2是本发明基于3D打印及单片机技术楞次定律演示装置的内部电路 图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步描述：

图1是本发明基于3D打印及单片机13技术楞次定律演示装置的结构示意 图，图2是本发明基于3D打印及单片机13技术楞次定律演示装置的内部电路 图，请参见图1、图2，一种基于3D打印及单片机13技术楞次定律演示装 置，包括：一壳体1，壳体1内设有：一直流电源2、一直流升压模块3，直流 升压模块3与直流电源2连接，直流升压模块3的输出端之间串接有一水泥电 阻6、一电解电容5，其中，还包括一线圈8、一晶闸管7，晶闸管7的门级与电源正极连接，晶闸管7的阴极连接在电解电容5与电源负极之间，晶闸管7 的阳极连接有一第一插口，水泥电阻6与电解电容5之间连接有一第二插口； 电源正极输出端与直流升压模块3之间串接有一第一开关9；电源正极输出端 与晶闸管7门级之间串接有一第二开关10；第一插口、第二插口安装在壳体1 上表面上；还包括线圈8设置在壳体1上表面上，线圈8的两端口安装有插 针，两插针分别插入第一插口、第二插口。

进一步的，还包括一单片机13，单片机13连接直流升压模块3。本发明 引入了单片机13进行控制，相较于以往的控制方式，单片机13的加入使得本 发明的拓展性更加丰富。

进一步的，直流电源2上并接有一电压传感器4，电压传感器4连接单片 机13。

在具体实施过程中，铜线直径、线圈8内径、层数、每层匝数这四个变量 对实验效果均有影响，如果不断的控制变量一点点尝试，一是会造成很大的浪 费，二是会耗费太多的时间。因此，最终选择通过电脑计算模拟出线圈8释放 能量和硬币弹跳高度。根据数百次仿真实验得出的结果，针对1元硬币、1角 硬币(铝)、M12螺母等弹射物制作了各自能产生最明显效果的对应线圈8。实 验效果与仿真模拟非常相似。针对性的，制作了多个可以替换的线圈8，从而 可以根据不同的实验体使用不同的线圈8，从而大大丰富了实验的效果。

进一步的，线圈8固定在一线盘上，线盘上一侧盘面上安装有一支撑板， 壳体1上表面具有一固定轴，固定轴穿过线盘的另一侧开口。

进一步的，支撑板上放置有实验体。

进一步的，实验体为铝环或铜片。

进一步的，支撑板上方设有一悬浮底座，悬浮底座上安装有一金属环、一 磁生电线圈8、一照明灯，磁生电线圈8的两端部为照明灯供电。

本发明由于增加了单片机13，使得单片机13可以控制的磁场高频变换， 到让磁性底座悬浮在空中并向其输出电能。

进一步的，直流电源2为：锂离子电池。

进一步的，所述直流电源2上并接有一电压传感器4。

进一步的，所述电压传感器4还与所述二极管12、所述水泥电阻6、所述 晶闸管7共负。

进一步的，所述电源正极与所述第二开关10之间串接有一启动电阻11。

具体的，为了使用的安全与便携性，本发明没有采用常见的220V供电， 而是选择了2节3.7V的18650锂离子电池供电，因此需要进行直流升压给电 解电容5充电，这里采用了时下热门的ZVS(零电流开关)技术，当震荡电流 经过零点的时候，切换开关，以降低开关时能量损耗，整体转换效率超过 80％。充电电压由单片机13进行控制，最高电压设定为450V并通过电压传感 器4反馈到单片机13中的数码管中，精确到1V。为了减少电容初始充电时产 生的浪涌电流，本发明具体串联上了1000Ω20W的水泥电阻6(根据需求可以 调整)来限制电流。最后通过可控硅(70TPS)将“模块化”的可拆卸线圈8 并联在电容两端，可控硅也由单片机13进行控制。为了防止电容放电时在线圈 8中产生反向电流，我选用了RURG8060大功率二极管12并联在线圈8两 端，遇反向电流时导通，与线圈8形成短接回路避免其它元件受损。

得益于ZVS升压电路低损耗的特性，2节装18650电池组能连续满负荷弹 射百次以上，又由于采用可控硅控制触发，因此无火花和异响，再加上单片机 13的控制，实现了控制及显示电容电压的功能。基于以上几点可以判断出本实 验装置是安全、可靠、耐用的，适合教给学生进行课外定量研究。

进一步的，第二开关10为两行程开关；第一插口、第二插口上还并联有二 极管12。第二开关10有两个行程(类似照相机的快门按钮)，不按的时候持续 快速升压(充满约60秒)，按一半的时候电压以每秒中1伏特的速度下降，当 达到预设电压时(一般为450V)按动触发开关便可产生明显的效果：线圈上方 的硬币、线圈、铜片、金属环等都会弹起数厘米高。此后电压归零，放开开关 则重新开始充电，周而复始。

进一步的，壳体1为一方形壳体1，单片机13上还连接有一显示屏41， 第一开关9、第二开关10、显示屏安装在壳体1的同侧表面上。

本发明的壳体1部分采用时下最热门的3D打印技术，3D打印材料为聚乳 酸(PLA)，一种新型的生物基及可生物降解材料，使用可再生的植物资源(如 玉米)所提出的淀粉原料制成。成本较低(70元/kg)无毒无味而且满足本实 验的绝缘需求。

具体的，将各原件按照原先设计装入主体中，封上舱盖并接通电源，经过一 系列调试达成了原定设计目标。成品主体长宽高分别为125×66×90mm，可拆 卸线轴为Ф40×12mm。总质量0.81kg。

Claims (9)

1.一种基于3D打印及单片机技术楞次定律演示装置，包括：一壳体，所述壳体内设有：一直流电源、一直流升压模块，所述直流升压模块与所述直流电源连接，所述直流升压模块的输出端之间串接有一水泥电阻、一电解电容，其特征在于，还包括一线圈、一晶闸管，所述晶闸管的门级与所述电源正极连接，所述晶闸管的阴极连接在所述电解电容与所述电源负极之间，还包括一单片机，所述单片机连接所述直流升压模块，所述晶闸管的阳极连接有一第一插口，所述水泥电阻与所述电解电容之间连接有一第二插口；所述电源正极输出端与所述直流升压模块之间串接有一第一开关；所述电源正极输出端与所述晶闸管门级之间串接有一第二开关；所述第一插口、所述第二插口安装在所述壳体上表面上；还包括线圈设置在所述壳体上表面上，所述线圈的两端口安装有插针，两所述插针分别插入所述第一插口、所述第二插口。

2.根据权利要求1所述的基于3D打印及单片机技术楞次定律演示装置，其特征在于，所述线圈固定在一线盘上，所述线盘上一侧盘面上安装有一支撑板，所述壳体上表面具有一固定轴，所述固定轴穿过所述线盘的另一侧开口。

3.根据权利要求2所述的基于3D打印及单片机技术楞次定律演示装置，其特征在于，所述支撑板上放置有实验体。

4.根据权利要求1所述的基于3D打印及单片机技术楞次定律演示装置，其特征在于，所述实验体为铝环或铜片。

5.根据权利要求2所述的基于3D打印及单片机技术楞次定律演示装置，其特征在于，所述支撑板上方设有一悬浮底座，所述悬浮底座上安装有一金属环、一磁生电线圈、一照明灯，所述磁生电线圈的两端部为所述照明灯供电。

6.根据权利要求1所述的基于3D打印及单片机技术楞次定律演示装置，其特征在于，所述直流电源为：锂离子电池。

7.根据权利要求1所述的基于3D打印及单片机技术楞次定律演示装置，其特征在于，所述第二开关为两行程开关；所述第一插口、所述第二插口上还并联有二极管。

8.根据权利要求1所述的基于3D打印及单片机技术楞次定律演示装置，其特征在于，所述直流电源上并接有一电压传感器，所述电压传感器连接所述单片机。

9.根据权利要求1所述的基于3D打印及单片机技术楞次定律演示装置，其特征在于，所述壳体为一方形壳体，所述单片机上还连接有一显示屏，所述第一开关、所述第二开关、所述显示屏安装在所述壳体的同侧表面上。