CN205158749U - 一种教学用的能量转换演示装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于教学演示用具领域，具体提供了一种教学用的能量转换演示装置，包括直流电源、电磁铁、第一电能表，它们依次串联构成回路；还包括透明直管，所述透明直管内放置有永磁铁，所述电磁铁放置于所述透明直管底部。解决了传统的关于能量转换的演示用具过于单一，演示用具的演示范围过于狭隘，对教师的教学和学生对能量转换的充分理解具有局限性的问题。具有教学演示操作简单，使用维护成本低，演示实验数据精确度高，有利于教师的教学演示、学生认知的优点。

Description

一种教学用的能量转换演示装置

技术领域

本实用新型属于教学演示用具领域，具体涉及一种教学用的能量转换演示装置。

背景技术

曾经或现在是学生的我们，在对物理学习过程中，需要学习一些基本的物理学定律，如牛顿第一、第二、第三定律，动量守恒定律，“能量守恒定律”等。

例如“能量守恒定律”指出能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只能从一种形式转化为另一种形式，或者从一个物体转移到另一个物体，在转移或转化过程中其总量保持不变。

“能量守恒定律”是我们认识自然科学规律非常重要的一个定理，从而避免将来从事科学研究或做发明创造、申请专利的我们去开发制作类似“永动机”的荒谬事情，所以有必要在教学中通过相关的演示装置对学生进行能量转换的演示，以便于学生更好的理解“能量守恒定律”。

在教学实践活动中，现有的关于能量转换的演示用具过于单一，例如常见的弹性碰撞实验等，虽然其趣味性与直观性很好，但是能量的形式是多种多样的，传统的能量转换演示用具的演示范围过于狭隘，对教师的教学和学生对能量转换的充分理解具有局限性，有必要让学生们认识到其他的能量转换形式，例如电、磁、热量等不仅是一种能量形式，它们之间也可以转化，也可以转化为其他形式的能量，并且这些转化都符合“能量守恒定律”。

实用新型内容

本实用新型的目的是克服现有技术中传统的关于能量转换的演示用具过于单一，演示用具的演示范围过于狭隘，对教师的教学和学生对能量转换的充分理解具有局限性的问题。

为此，本实用新型提供了一种教学用的能量转换演示装置，包括直流电源、电磁铁、第一电能表，它们依次串联构成回路；还包括透明直管，所述透明直管内放置有永磁铁，所述电磁铁放置于所述透明直管底部。

该演示装置还包括依次串联的第二电能表、可调电阻，它们并联于所述电磁铁两端。

所述直流电源和所述电磁铁之间还连接有跳闸保护装置。

所述透明直管的管体上设有刻度标识。

所述透明直管的材料为透明玻璃。

所述直流电源为可调直流稳压电源。

所述第一电能表与第二电能表为数字电能表。

所述可调电阻为滑线变阻器。

所述跳闸保护装置为空气开关。

该演示装置还配备有红外线速度检测仪，用于检测永磁铁的移动速度。

本实用新型的有益效果：

1）通过这种教学用的能量转换演示装置进行教学工作的演示，丰富了传统的能量转换演示用具的演示范围，有利于教师的教学和学生对能量转换形式的充分理解，如通过第一电能表的直观可读性，电磁铁位移变动的形象化，从另一种演示方式来认识能量的形式以及能量的转化和“能量守恒定律”。

2）本实用新型通过进一步引入第二电能表、可调电阻，再次丰富了传统的能量转换演示用具的演示范围，有利于教师的教学和学生对能量转换形式的充分理解。

3）本实用新型采用的跳闸保护装置为空气开关，保证可靠性的同时降低使用维护成本。

4）本实用新型在透明直管的管体上设有刻度标识，从而省去用量尺测量永磁铁的位移高度，可以直接从透明直管管体上读出位移距离，从而简化该演示装置。

5）本实用新型采用的透明直管的材料为透明玻璃，利用玻璃的光滑特性，尽量减少电磁铁上升时遇到的阻力，从而保证得到相对比较精确的测量结果，有利于教师的教学演示。

6）本实用新型采用的第一电能表与第二电能表为数字电能表，采用数字电能表可以更精确的显示电能消耗的数值，可以提高实验数据的精确度，有利于教师的教学演示。

7）本实用新型采用的可调电阻为滑线变阻器，其结构简单且使用维护成本也低。

8）本实用新型采用红外线速度检测仪检测永磁铁的移动速度，可以提高实验数据的精确度，有利于教师的教学演示。

以下将结合附图对本实用新型做进一步详细说明。

附图说明

图1是本实用新型第一种实施方式的结构示意图。

图2是本实用新型第二种实施方式的结构示意图。

图3是本实用新型的电磁铁产生位移差的示意图。

附图标记说明：1、直流电源；2、电磁铁；3、直管；4、永磁铁；5、第一电能表；6、第二电能表；7、可调电阻；8、跳闸保护装置；9、红外线速度检测仪。

具体实施方式

实施例1：

如图1所示，本实用新型提供了一种教学用的能量转换演示装置，包括直流电源1、电磁铁2、第一电能表5，它们依次串联构成回路；还包括透明直管3，所述透明直管3内放置有永磁铁4，所述电磁铁2放置于所述透明直管3底部。

参照图1，本实用新型工作原理如下：将直管3竖直放置固定后，开启电源开关S后，直流电源1对电磁铁2供电从而励磁产生磁场，电磁铁2磁极的一端对应于永磁铁4磁极的一端，通过使电磁铁2产生与图1中永磁铁4底端磁场极性相同的磁场，通过磁场“同性相斥”原理产生对永磁铁4向上的举升推力，当举升推力达到永磁铁4的自重力以上后，根据牛顿第二定理，此时永磁铁4收到的合力方向向上，永磁铁4会从直管3底部开始沿直管内路径向上移动产生位移，该直管3内腔形状与永磁铁4外形可以做成相配合的形状，比如直管3、永磁铁4都是圆柱形，从而有利于永磁铁4移动时的导向作用，参照图3所示，例如永磁铁4缓慢（即可以忽略其上升的速度）上升到图中位置，在竖直方向产生的位移高度为h（可以用量尺测量其高度）,该永磁铁4的质量为m（可以提前称重）,重力加速度为g,那么该位置永磁铁4产生的重力势能为Ep=mgh，同时相对应的第一电能表5的电能损耗读数可以直接读出，假定为W=x千瓦时/kW.h,然后将重力势能的能量单位与电能单位千瓦时都划算为通用能量单位焦耳的话，会得到重力势能为Ep近似等于电能消耗W,实际的精确测量数据重力势能为Ep会小于电能消耗W，毕竟有电源内阻、连接导线电阻、磁场损耗等一些能量的消耗，众所周知，能量的传递效率都难以达到100%，实际演示中只能尽量接近理想化的实验。

本实用新型的演示装置主要是在教学中向学生展示电能转化为重力势能的过程，同时展示了电磁铁2通过磁力对永磁铁4做功将能量转化为重力势能，使学生客观的认识到直流电源1电能的损耗并不是消失了，而是转化为了永磁铁4的重力势能，让学生从另一种方式来认识“能量守恒定律”。

本实用新型这种能量转换演示装置丰富了传统的能量转换演示用具的演示范围，有利于教师的教学和学生对能量转换形式的充分理解，如通过第一电能表5的直观可读性，电磁铁2位移变动的形象化，从另一种演示方式来认识能量的形式以及能量的转化和“能量守恒定律”。

实施例2：

在实施例1的基础上，如图2所示，本实用新型还包括依次串联的第二电能表6、可调电阻7，它们并联于所述电磁铁2两端。

参照图3所示，例如永磁铁4缓慢（即可以忽略其上升的速度）上升到图中位置，在竖直方向产生的位移高度为h，由于并入可调电阻7后，可调电阻7会消耗电能产生热量，其消耗的电能可以通过第二电能表6读出，通过将显示在第二电能表6的能量消耗数据加上永磁铁4的重力势能也会得到它们的和近似等于显示在第一电能表5的电能消耗数据。

本实用新型进一步通过再引入第二电能表6、可调电阻7，将电能转化为热能并直观的显示其能量消耗，再次丰富了传统的能量转换演示用具的演示范围，有利于教师的教学和学生对能量转换形式的充分理解，从另一种演示方式来认识能量的形式以及能量的转化和“能量守恒定律”。

实施例3：

在以上实施例的基础上，如图2所示，本实用新型在直流电源1和所述电磁铁2之间还连接有跳闸保护装置8。从而避免该演示装置工作时电路过载或短路，保证工作的安全可靠性。为了在保证可靠性的同时降低使用维护成本，本实用新型采用的跳闸保护装置8为空气开关。

实施例4：

在以上实施例的基础上，本实用新型在透明直管3的管体上设有刻度标识。从而省去用量尺测量永磁铁4的位移高度，可以直接从透明直管管体上读出位移距离，从而简化该演示装置。

实施例5：

在实施例4的基础上，本实用新型采用的透明直管3的材料为透明玻璃。

利用玻璃的光滑特性，尽量减少电磁铁2上升时遇到的阻力，从而保证得到相对比较精确的测量结果，有利于教师的教学演示。

实施例6：

在上述实施例的基础上，本实用新型采用的直流电源1为可调直流稳压电源。

因为在演示中电源的电压过大或过小都不利于演示的展现，本实用新型选用可调直流稳压电源可以为演示提供合适稳定的电能供应，有效保证该演示装置演示工作的稳定可靠性。

实施例7：

在上述实施例的基础上，本实用新型采用的第一电能表5与第二电能表6为数字电能表。采用数字电能表可以更精确的显示电能消耗的数值，可以提高实验数据的精确度，有利于教师的教学演示。

实施例8：

在上述实施例的基础上，本实用新型采用的可调电阻7为滑线变阻器。采用电阻箱固然可以，但是滑线变阻器可以平滑的调节电阻的范围，而且滑线变阻器简单且使用维护成本也低。

实施例9：

在上述实施例的基础上，为了进一步提高本实用新型演示所得的实验数据的精确度，如图1、图2、图3所示，本实用新型这种演示装置还配备有红外线速度检测仪9，用于检测永磁铁4的移动速度。

红外线速度检测仪9对应设置于透明直管3附加，当永磁铁4缓慢上升过程中，可以用该红外线速度检测仪9检测并读出该永磁铁4的速度，因为永磁铁4的具有的速度V会对应相应的动能E，动能计算公式为E=1/2mv^2，将永磁铁4的移动速度对应的动能引入到实验数据中，可以提高实验数据的精确度，有利于教师的教学演示。

以上例举仅仅是对本实用新型的举例说明，并不构成对本实用新型的保护范围的限制，凡是与本实用新型相同或相似的设计均属于本实用新型的保护范围之内。

本实施例没有详细叙述的部件和结构属本行业的公知部件和常用结构或常用手段，这里不一一叙述。

Claims (10)

1.一种教学用的能量转换演示装置，其特征在于：包括直流电源（1）、电磁铁（2）、第一电能表（5），它们依次串联构成回路；

还包括透明直管（3），所述透明直管（3）内放置有永磁铁（4），所述电磁铁（2）放置于所述透明直管（3）底部。

2.如权利要求1所述的教学用的能量转换演示装置，其特征在于：还包括依次串联的第二电能表（6）、可调电阻（7），它们并联于所述电磁铁（2）两端。

3.如权利要求1或2所述的教学用的能量转换演示装置，其特征在于：所述直流电源（1）和所述电磁铁（2）之间还连接有跳闸保护装置（8）。

4.如权利要求1所述的教学用的能量转换演示装置，其特征在于：所述透明直管（3）的管体上设有刻度标识。

5.如权利要求4所述的教学用的能量转换演示装置，其特征在于：所述透明直管（3）的材料为透明玻璃。

6.如权利要求1所述的教学用的能量转换演示装置，其特征在于：所述直流电源（1）为可调直流稳压电源。

7.如权利要求1所述的教学用的能量转换演示装置，其特征在于：所述第一电能表（5）与第二电能表（6）为数字电能表。

8.如权利要求2所述的教学用的能量转换演示装置，其特征在于：所述可调电阻（7）为滑线变阻器。

9.如权利要求3所述的教学用的能量转换演示装置，其特征在于：所述跳闸保护装置（8）为空气开关。

10.如权利要求1所述的教学用的能量转换演示装置，其特征在于：该演示装置还配备有红外线速度检测仪（9），用于检测永磁铁（4）的移动速度。