CN201984694U

CN201984694U - 安培力探究学习装置

Info

Publication number: CN201984694U
Application number: CN2010206852498U
Authority: CN
Inventors: 张晖
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-12-29
Filing date: 2010-12-29
Publication date: 2011-09-21
Anticipated expiration: 2020-12-29

Abstract

本实用新型公开了一种安培力探究学习装置，包括线圈支架、线圈、线圈骨架、线圈电源、磁性材料、角度长度定位板、角度定位指针、底座、测力单元和磁场强度测量单元，线圈与可调电阻及线圈电源相连，线圈骨架安装在线圈支架下端；角度长度定位板上设有两条以上的长度刻度、一圈角度刻度和两条相互垂直的中央定位线，角度长度定位板安装在底座上方并能自由转动；磁性材料设置在角度长度定位板上；所述角度定位指针与角度刻度配合用于测量电流方向与磁场方向间的夹角。本实用新型可以直观精确测量安培力，可以对安培力与角度关系直观确认；可以实现对安培力与导线长度的关系进行定量研究；可以定量探究学习安培力与导体中电流大小的关系。

Description

安培力探究学习装置

技术领域

本实用新型涉及一种物理教学实验设备，特别涉及一种安培力探究学习装置。

背景技术

磁场对电流的作用力通常称为安培力，安培力在日常生活中有广泛的应用。对直导线所受安培力的方向与电流方向、磁场方向遵从左手定则，电流为I、长为L的直导线。在匀强磁场B中受到的安培力大小为：F＝ILBsin(I，B)，其中(I，B)为电流方向与磁场方向间的夹角。对于任意形状的电流受非匀强磁场的作用力，可把电流分解为许多段电流元I△L，每段电流元处的磁场B可看成匀强磁场，受的安培力为△F=I△L·Bsin(I，B)，把这许多安培力加起来就是整个电流受的力。

现有教科书没有直观、简便的定量实验能让学生来全面探究学习安培力的性质及计算公式，学生只能依靠死记硬背来学习和应用。

发明内容

本实用新型目的在于提供一种能够直观、简便、定量探究学习安培力性质及其计算公式的安培力探究学习装置。

为了实现上述目的，本实用新型通过以下技术方案来实现：

一种安培力探究学习装置，包括线圈支架、线圈、线圈骨架、线圈电源、磁性材料、角度长度定位板、角度定位指针、底座、测力单元和磁场强度测量单元，所述线圈缠绕在线圈骨架内，且线圈与可调电阻及线圈电源相连，所述线圈骨架安装在线圈支架下端；所述角度长度定位板上设有两条以上的长度刻度、一圈角度刻度和两条相互垂直的中央定位线，两条中央定位线22交点标示磁场转动中心，所述角度长度定位板安装在底座上方并能自由转动；所述磁性材料设置在角度长度定位板上并沿长度刻度方向设置，并通过调节单元控制能沿长度刻度方向移动；所述角度定位指针一端可调式安装在底座上，另一端与角度长度定位板接触，并与角度刻度配合用于测量电流方向与磁场方向间的夹角。

本实用新型实施例中，所述调节单元为丝杠丝母副，所述测力单元为力传感器。

本实用新型实施例中，其还包括有电流测量单元，可以测出电流大小方便实用。

考虑到方便实用，所述角度长度定位板上设有多个长条孔，长条孔处设有螺栓,螺栓穿过长条孔可以将磁性材料紧固在角度长度定位板上。

本实用新型实施例中，所述磁性材料为两个平行间隔设置的永久磁铁，所述永久磁铁周边包裹有保护套。

本实用新型实施例中，所述线圈骨架为方形，所述线圈采用多匝线圈。

本实用新型实施例中，所述角度定位指针截面为L形，且表面刻有定位刻度。

本实用新型实施例中，线圈支架为平板或平面框架状，与线圈骨架之间为可拆卸式连接。

本实用新型实施例中，角度长度定位板截面为圆形，底座截面为圆形，两者有共同的中心轴。

本实用新型的有益效果：

本实用新型具有角度长度定位板、测力单元和磁场强度测量单元，可以直观精确测量安培力，角度刻度配合角度定位指针可以测量导线方向与磁场方向的角度，可以对安培力与角度关系直观确认；采用多匝线圈通过导线长度改变，可以实现对安培力与导线长度的关系进行定量研究；通过改变线圈中的电流大小可以定量探究学习安培力与导体中电流大小的关系；本实用新型直观易懂、操作简单，改变了传统教学中的死记硬背的现状。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图。

图2为角度长度定位板与底座的连接结构示意图。

图中1、线圈支架，2、导线，3、线圈，4、线圈骨架，5、保护套，6、长条孔，7、角度长度定位板，8、线圈电源，9、底座，10、丝杠丝母副，11、角度刻度，12、角度定位指针，13、长度刻度，14、永久磁铁，15、螺栓，16、轴承， 17、凹槽，18、支座，19、磁场强度测量单元，20、测力单元，21、可调电阻，22、中央定位线，23、重锤，24、电流测量单元。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型做进行详细说明，下述说明仅是示例性的，不限定本实用新型的保护范围。

参考附图1，一种安培力探究学习装置，其包括线圈支架1、线圈3、线圈骨架4、线圈电源8、磁性材料、角度长度定位板7、角度定位指针12、底座9、测力单元20、磁场强度测量单元19、电流测量单元24，所述线圈3缠绕在线圈骨架4内，且线圈3通过导线2与可调电阻21及线圈电源8相连，所述线圈骨架4安装在线圈支架1下端；所述角度长度定位板7上设有两个以上长度刻度13、一圈角度刻度11和相互垂直的两中央定位线22，两条中央定位线22交点标示磁场转动中心，所述角度长度定位板7安装在底座9上方并能自由转动；所述磁性材料设置在角度长度定位板7上并沿长度刻度13方向设置，并通过调节单元控制能沿长度刻度13方向移动；所述角度定位指针12可以利用类似长尾夹的装置一端固定在底座9，且固定位置可调，另一端与角度长度定位板7接触，并与角度刻度11配合用于测量电流方向与磁场方向间的夹角。也可将一端直接固定在底座上。

下面具体介绍各个部件：

1、线圈支架为平板或平面框架形状，上部以螺丝或插接等方式固定在力传感器上，使线圈只能在安培力作用下上下移动，不能向其它方向运动。线圈支架能固定线圈下边位置固定不变，且不受更换线圈的影响，固定线圈只能沿安培力方向移动，使线圈下边中心对准一重锤，沿线圈导线方向另有一重锺，可帮助线圈中心准确定位在角度长度定位板的中央线22之磁极板中位线上方，并使线圈底边中心对准两中央定位线22的交点。线圈支架与线圈骨架4之间连接可以选择如下方式：螺纹连接或通过在线圈支架1上设置挂钩，线圈骨架4设置凹槽，以便将二者插接为一体，当然也可以选择夹持等方式；另外为了方便调整线圈骨架4与磁性材料的高度，线圈支架1可以设置成可伸缩式结构。此外，可以通过在线圈骨架的对角线两端设置外接线接线柱以方便与电源连接，目的是抵消接线柱重力等因素对实验造成的干扰。为排除安培力因素干扰，线圈的外接电源导线最好垂直磁场向上通过测力单元上方的固定支架引出。实际实验时通过改变电源的极性改变电流方向，也可以通过旋转磁场方向改变电流和磁场的夹角。此处的接线柱只为保护、延长线圈的使用寿命考虑。也可直接引出外接导线，省略此接线柱。

建议在线圈支架上，线圈下边中心位置加重锺23，在实验开始时使之对准角度和角度长度定位板的中央定位线22的中央交点，配合线圈下边的另一重锺，使线圈下边对准角度、角度长度定位板上的中央定位线22之磁极板中位线，然后固定角度指针的位置，使之准确指出线圈下边中电流与磁场间夹角。对目测能力极强的人可省略重锺不用，但对学生实验还是建议保留实验效果要好些。

2、所述磁性材料为两个平行间隔设置的异性永久磁铁14，所述永久磁铁14周边包裹有保护套5，为运输、存蓄方便，两磁板接触时保护套中间有缝隙容易使之分离。当然本领域人员可以想到，永久磁铁14可以采用电磁铁代替。

3、所述线圈骨架4为方形，所述线圈采用多匝线圈，可以实现安培力与导线长度的关系进行定量研究。具体可以比较同一线圈不同长度边所受安培力大小，从教学效果考虑，最好至少有三个不同边长比例的线圈，以便学生探究学习安培力与通电导体长度的关系。线圈大小能保证研究线圈下边所受安培力时线圈上边受安培力大小可忽略不计。

4、所述调节单元为丝杠丝母副10，丝杠较粗壮，对磁板位置的调节作用较好，这种结构部件简单、调整方便，而且成本低廉，当然本领域人员可以想到，可以采用齿轮齿条结构代替。

5、所述角度长度定位板7上设有多个长条孔6，长条孔6处设有螺栓15,螺栓穿过长条孔6可以将磁性材料紧固在角度长度定位板7上，此种结构拆卸、安装方便。

6、所述测力单元20为力传感器，当然也可以采用通过在线圈支架下方连接弹簧秤，并将弹簧秤与线圈骨架相连，通过弹簧秤来测量安培力的大小。

7、所述角度定位指针12截面为L形，且表面刻有定位刻度，做实验准备时，让角度指针指在90度或270度位置，视电流和磁场方向而定。后来转动磁场，角度定位指针12指示电流和磁场间夹角。

8、角度长度定位板7截面为圆形，长度刻度13设置在角度长度定位板7上表面，角度刻度11设置在角度长度定位板7侧面，用以标识导线与磁场间夹角大小。底座9截面为圆形，角度定位板7与所述底座9可以通过共同中心轴以实现角度长度定位板7的转动。当然也可以采用其他方式实现角度定位板7与底座9转动，参考附图2，角度长度定位板7底面安装有一个轴承16，所述底座9上表面设有一个支座18，该支座设有安装轴承的凹槽17。

具体实验如下：

准备工作：先将线圈固定在线圈支架上。调节线圈位置，使线圈中点处重锺对准安培力实验器角度长度定位板的中央定位线22的中央交点，线圈边对准磁中央定位线22之磁极板中位线。然后固定角度指针位置使之指明线圈下边中电流与磁场间夹角。

1、当线圈3与磁场方向平行时，安培力为零。

首先将线圈平面与磁场方向夹角调整为零，然后调整异性永久磁铁14之间距离，测力单元示数变化为零，表明线圈不受安培力；接着调整线圈电源8，以改变电流，测力单元示数变化为零，表明线圈不受安培力。

2、当线圈3与磁场方向垂直时，安培力为最大。

首先定量电流大小、磁场强度和线圈长度，然后转动角度长度定位板7调整线圈底边与磁场方向的角度，记录数据，表明当线圈3与磁场方向垂直时，安培力为最大。

3、垂直于磁场方向的导线，受到的安培力与导线长度成正比。

选择不同长度导线制成的线圈，并使导线垂直于磁场方向，记录试验数据，表明受到的安培力与导线长度成正比。

4、垂直于磁场方向的导线，受到的安培力与磁场强度成正比。

在线圈长度不变和电流不变的情况下，调整异性永久磁铁14之间的距离以改变磁场强度，并记录磁场强度，试验表明垂直于磁场方向的导线，受到的安培力与磁场强度成正比。

5、在磁场强度、电流、线圈长度不变的情况下，安培力与sin(I，B)成正比。

在磁场强度、电流、线圈长度不变的情况下，转动角度长度定位板7调整线圈底边与磁场方向的角度，并记录角度数据和安培力大小，试验表明安培力与sin(I，B)成正比。

6、在磁场强度、线圈长度不变的情况下，安培力与电流强度成正比。

在磁场强度、线圈长度不变的情况下，通过调整可调电阻改变电流大小，并记录安培力大小及电流大小，试验表明安培力与电流强度成正比。

7、探究学习左手定则。没有电流的时候，没有安培力，当通电后，通过测力单元可以观察到安培力发生变化。

以上仅描述了本实用新型的基本原理和优选实施例，本领域人员可以根据上述描述做出许多变化和改进，这些变化和改进应该属于本实用新型的保护范围。

Claims

1.一种安培力探究学习装置，其特征在于：包括线圈支架(1)、线圈（3）、线圈骨架（4）、线圈电源（8）、磁性材料、角度长度定位板（7）、角度定位指针（12）、底座（9）、测力单元（20）和磁场强度测量单元（19），所述线圈（3）缠绕在线圈骨架（4）内，且线圈（3）与可调电阻（21）及线圈电源（8）相连，所述线圈骨架（4）安装在线圈支架(1)下端；所述角度长度定位板（7）上设有两条以上的长度刻度（13）、一圈角度刻度（11）和两条相互垂直的中央定位线（22），两条中央定位线（22）交点标示磁场转动中心，所述角度长度定位板（7）安装在底座（9）上方并能自由转动；所述磁性材料设置在角度长度定位板（7）上并沿长度刻度（13）方向设置，并通过调节单元控制能沿长度刻度（13）方向移动；所述角度定位指针（12）一端安装在底座（9）上，另一端与角度长度定位板（7）接触，并与角度刻度（11）配合用于测量电流方向与磁场方向间的夹角。

2.根据权利要求1所述安培力探究学习装置，其特征在于：所述调节单元为丝杠丝母副（10），所述测力单元（20）为力传感器。

3.根据权利要求1所述安培力探究学习装置，其特征在于：其还包括有电流测量单元（24）。

4.根据权利要求1所述安培力探究学习装置，其特征在于：所述角度长度定位板（7）上设有多个长条孔（6），长条孔（6）处设有螺栓（15）,螺栓穿过长条孔（6）可以将磁性材料紧固在角度长度定位板（7）上。

5.根据权利要求1所述安培力探究学习装置，其特征在于：所述线圈支架(1)底部中心和两端或一端有重锤（23）。

6.根据权利要求1、2、3、4或5所述安培力探究学习装置，其特征在于：所述磁性材料为两个平行间隔设置的永久磁铁（14），所述永久磁铁（14）周边包裹有保护套（5）。

7.根据权利要求1、2、3、4或5所述安培力探究学习装置，其特征在于：所述线圈骨架（4）为方形，所述线圈采用多匝线圈。

8.根据权利要求1、2、3、4或5所述安培力探究学习装置，其特征在于：所述角度定位指针（12）截面为L形，且表面刻有定位刻度。

9.根据权利要求1、2、3、4或5所述安培力探究学习装置，其特征在于：线圈支架(1)为平板或平面框架形状，与线圈骨架（4）之间为可拆卸式连接。

10.根据权利要求1、2、3、4或5所述安培力探究学习装置，其特征在于：角度长度定位板（7）截面为圆形，底座（9）截面为圆形，两者有共同的中心轴。