CN210777431U

CN210777431U - 一种探究安培力特点的综合演示实验仪

Info

Publication number: CN210777431U
Application number: CN201920197957.8U
Authority: CN
Inventors: 蒋达国; 叶媛秀; 薄文云; 吴玉莹; 王玉晶
Original assignee: Jinggangshan University
Current assignee: Jinggangshan University
Priority date: 2019-01-30
Filing date: 2019-01-30
Publication date: 2020-06-16
Anticipated expiration: 2029-01-30

Abstract

本实用新型公开了一种探究安培力特点的综合演示实验仪，所述电子天平放置在载物台的下面；所述亥姆霍兹线圈安装在载物台的上面；所述支架上端的圆形承载台刻有凹槽，所述支架放置在电子天平的上面，且支架穿过载物台上的矩形孔到亥姆霍兹线圈内部的磁场区域；所述第一直流稳压电源、第一开关和铜棒通过导线串联组成第一闭合回路；所述第二直流稳压电源、第二开关和亥姆霍兹线圈通过导线串联组成第二闭合回路。本实用新型具有结构简单，用铜棒通电前、后电子天平的读数就化情况来判断安培力的方向，用铜棒通电前、后电子天平的读数差值来计算安培力的大小，不仅可以激发学生的学习兴趣，还有助于培养学生的科学探究精神。

Description

一种探究安培力特点的综合演示实验仪

技术领域

本实用新型属于教学器材技术领域，具体涉及一种探究安培力特点的综合演示实验仪。

背景技术

物理是一门以观察和实验为基础的学科，采用演示实验进行教学是提高学习兴趣、培养学生核心素养的重要途径。然而，许多传统实验，由于实验装置和实验方法的欠缺，使得对一些物理问题的定量研究变得困难。

高中阶段和大学阶段，学生都要学习安培力，多数老师会采用演示实验分别探究影响安培力方向的因素以及影响安培力大小的因素。但未见过可以同时探究影响安培力的方向和大小因素的演示实验仪，且大多数演示实验仪演示的不是通电导体(1根导线)而是通电线圈(多根导线)在磁场中所受的安培力，其物理概念不清晰；是用蹄形磁铁而不是用亥姆霍兹线圈提供磁场，改变磁感应强度不方便不准确。

为了使安培力的教学尤其是大学阶段的安培力教学更生动、形象、直观、准确、科学，结合参考文献的成果，灵活巧妙地将“电子天平的‘测力’方法以及“亥姆霍兹线圈内部均匀磁场区域的磁感应强度与通过线圈中的电流强度成正比的特点”运用到探究安培力特点的演示实验仪制作中，设计了一种既可以探究安培力方向又可以探究安培力大小特点的综合演示实验仪。

用铜棒(1根导线)通电前、后电子天平的读数变化情况(增大或减小)来判断安培力的方向，铜棒通电前、后电子天平的示数差值来表征安培力的大小。用通过亥姆霍兹线圈的电流强度来表征磁感应强度，不仅可以激发学生的学习兴趣，还有助于培养学生的科学探究精神。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种探究安培力特点的综合演示实验仪，既可以探究安培力方向又可以探究安培力大小特点的综合演示实验仪。用铜棒(1根导线)通电前、后电子天平的读数变化情况(增大或减小)来判断安培力的方向，铜棒通电前、后电子天平的示数差值来表征安培力的大小。用通过亥姆霍兹线圈的电流强度来表征磁感应强度，不仅可以激发学生的学习兴趣，还有助于培养学生的科学探究精。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：一种探究安培力特点的综合演示实验仪，包括支架、第一水平仪、三组第一调平螺丝、矩形孔、电子天平、载物台、圆形角度板、铜棒、亥姆霍兹线圈、第一直流稳压电源、第一开关、第二直流稳压电源和第二开关，其特征在于：所述第一水平仪设置在载物台上面，三组所述第一调平螺丝安装在载物台的三个脚上同一位置，所述载物台的中央开设有矩形孔，所述支架的中央开设有矩形孔内；

所述电子天平放置在载物台的下面；所述亥姆霍兹线圈安装在载物台的上面；所述支架上端的圆形承载台刻有凹槽，且支架的侧面附有圆形角度板，所述支架放置在电子天平的上面，且支架穿过载物台上的矩形孔到亥姆霍兹线圈内部的磁场区域；

所述铜棒放置在载物台上的凹槽中，所述第一直流稳压电源、第一开关和铜棒通过导线串联组成第一闭合回路；所述第二直流稳压电源、第二开关和亥姆霍兹线圈通过导线串联组成第二闭合回路。

优选的，所述电子天平上面设有第二水平仪。

优选的，所述电子天平的底部三个脚上设有三个第二调平螺丝。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

1.本实用新型通过改变直流稳压电源的电压来改变通过亥姆霍兹线圈线圈中的电流强度，从而改变磁感应强度，以便探索究安培力的大小与磁感应强度的关系，利用电子天平的感量高，可以测量微小的质量变化量，精准的探测，既可以解决探究安培力的方向与电流方向和磁场方向的关系问题，又可以探究安培力的大小与电流强度、磁感应强度、导线长度以及电流方向和磁场方向夹角正弦之间的正比例关系的问题；

2.本实用新型具有结构简单，用铜棒(1根导线)通电前、后电子天平的读数变化情况(增大或减小)来判断安培力的方向，用铜棒通电前、后电子天平的示数差值来表征安培力的大小，不仅可以激发学生的学习兴趣，还有助于培养学生的科学探究精神，操作直观简便、实验结果更准确、更有助于学生科学探究安培力的特点等。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图。

图中：1支架、2第一水平仪、3第一调平螺丝、4矩形孔、5电子天平、6载物台、7圆形角度板、8铜棒、9亥姆霍兹线圈、10第一直流稳压电源、11第一开关、12第二直流稳压电源、13第二开关、14第一水平仪。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

第一实施例：探究安培力的方向与电流方向和磁场方向的关系

本实施例提供一种技术方案：

一种探究安培力特点的综合演示实验仪，包括支架1、第一水平仪2、三组第一调平螺丝3、矩形孔4、电子天平5、载物台6、圆形角度板7、铜棒8、马蹄形磁铁、第一直流稳压电源10、第一开关11，其特征在于：所述第一水平仪2设置在载物台6上面，三组所述第一调平螺丝3安装在载物台6的三个脚上同一位置，所述载物台6的中央开设有矩形孔4，所述支架1的中央开设有矩形孔4内；

所述电子天平5放置在载物台6的下面；所述马蹄形磁铁安装在载物台6的上面；所述支架1上端的圆形承载台刻有凹槽，且支架1的侧面附有圆形角度板7，所述支架1放置在电子天平5的上面，且支架1穿过载物台6上的矩形孔4到马蹄形磁铁内部的磁场区域；

所述铜棒8放置在载物台6上的凹槽中，所述第一直流稳压电源10、第一开关11和铜棒8通过导线串联组成第一闭合回路；所述电子天平5上面设有第二水平仪6，所述电子天平5的底部三个脚上设有三个第二调平螺丝。

既可以将铜棒8所受到的安培力平稳地传递到支架1上端的圆形承载台上，又可以与圆形角度板7结合，显示磁场方向和电流方向的夹角；所述亥姆霍兹线圈放置在载物台6的上面，并使支架1的上端和铜棒8置于其内部的磁场区域；支架1上端的圆形承载台既可以将铜棒8所受到的安培力平稳地传递到电子天平5上，又使得马蹄形磁铁与电子天平5相隔一定的距离，避免马蹄形磁铁产生的磁场对电子天平5的示数产生影响；由于电子天平5的感量高，可以测量微小的质量变化量，因此可以测量出磁性较弱的马蹄形磁铁对铜棒11产生的微小的安培力：设铜棒8未通电时，电子天平5的示数为m，通电后，电子天平5的示数为m′，如果m′大于m，说明安培力的方向朝下，如果m′小于m，说明安培力的方向朝上。

具体的，所述马蹄形磁铁是活动的，以便改变磁场方向：当马蹄形磁铁的北极朝外(里)，南极朝里(外)时，磁场的方向朝里(外)。

具体的，所述第一直流稳压电源10的正、负极分别与铜棒8的左、右两端通过导线联接，以便改变铜棒8中的电流方向：当铜棒8的左(右)端与第一直流稳压电源10的正(负)极相联，铜棒8的右(左)端与第一直流稳压电源8的负(正)极相联，则铜棒8中的电流方向向右(左)。

第二实施例：探究安培力的大小

请参阅图，本实施例提供一种技术方案：与实施例一不同之处，在于，将马蹄形磁铁换成亥姆霍兹线圈9，所述第二直流稳压电源12、第二开关13和亥姆霍兹线圈9通过导线串联组成第二闭合回路。

工作原理：

1、磁感应强度B的大小：匀强磁场由亥姆霍兹线圈提供，其磁感应强度

(μ₀为真空的磁导率，N为线圈的匝数，I_B为通过线圈的电流强度，

为线圈的平均半径，)，由于μ₀、N、

均为常数，所以，磁感应强度B与通过线圈中的电流强度I_B成正比。因此，调节直流稳压电源II的输出电压就可以改变I_B，从而改变B。

2、铜棒中的电流强度I_L：调节直流稳压电源I的输出电压可以改变I_L。

3、安培力的大小F：由电子天平的示数差值确定，当铜棒中没有电流通过时，电子天平的读数为m，当铜棒中有电流通过时，电子天平的示数为m′，则安培力的大小为F＝|m′-m|g，g为重力加速度。

4、磁场方向和铜棒中的电流方向的夹角θ：保持磁场方向不变(亥姆霍兹线圈固定不动)，将铜棒放置在载物台上面的不同凹槽中，可以改变磁场方向和铜棒中的电流方向的夹角θ，其值可以从载物台侧面圆形角度板上显示。

5、铜棒的长度L：备有三根不同长度的铜棒。

实验方法：

1.探究安培力的方向

(1)安装好装置。

(2)调节电子天平底座水平

调节电子天平底座上的调平螺丝，直到电子天平上的水平仪中的小水珠停在中央，使底座处于水平状态，从而使电子天平处于水平状态。

(3)电子天平调零

①打开电子天平的电源开关，预热1～3分钟后。

②调零。

(4)调节支架底座水平

调节支架底座上的调平螺丝，直到支架上的水平仪中的小水珠停在中央，使底座处于水平状态，从而使马蹄形磁铁或亥姆霍兹线圈处于水平状态。

(5)探究安培力的方向

①读出铜棒未通电时电子天平的读数m。

②先将铜棒的右、左两端分别与第一直流稳压电源10的正、负两极相联，使铜棒8中的电流方向向左，并使磁场方向朝里。

③打开第一直流稳压电源的第一开关11，观察电子天平5示数的变化，等电子天平的示数稳定后读出电子天平的读数m′₁。

④保持磁场方向不变(朝里)，改变铜棒8中的电流方向(向右)，观察电子天平示数的变化，等电子天平的示数稳定后读出电子天平的读数m′₂。

⑤保持铜棒中的电流方向不变(向右)，改变磁场方向(朝外)，观察电子天平示数的变化，等电子天平的示数稳定后读出电子天平的读数m′₃。

⑥保持磁场方向不变(朝外)，改变铜棒中的电流方向(向左)，观察电子天平示数的变化，等电子天平的示数稳定后读出电子天平的读数m′₄。表1

表1安培力的方向

2.探究安培力的大小

(1)按安装好装置。

(2)调节电子天平底座水平

(3)电子天平调零

(4)调节支架底座水平

(5)探究安培力的大小与导体中的电流强度之间的正比关系

①使磁场方向和铜棒中的电流方向垂直(磁场方向和铜棒中的电流方向的夹角θ＝90°)，保持铜棒的长度不变(L＝8.5cm)，磁感应强度B不变(调节直流稳压电源II，使其输出的电流强度即通过亥姆霍兹线圈中的电流强度I_B＝1A)。

②读出铜棒中没有电流通过时，电子天平的读数m。

③调节直流稳压电源I，读出铜棒中的电流强度分别为I_L1、I_L2、I_L3时，电子天平的示数m′₁、m′₂、m′₃，并计算安培力的大小F_i＝|m′_i-m|g。

④得出结论：当导体中的电流方向与磁场方向垂直，导体的长度和磁感应强度都不变时，安培力的大小与通过导体中的电流强度成正比。

表2安培力的大小与导体中的电流强度的关系

测量次数i	m/kg	I<sub>Li</sub>/A	m′<sub>i</sub>/kg	F<sub>i</sub>＝\|m′<sub>i</sub>-m\|g/N
					1	0.09892	3	0.09897	0.0005
2	0.10227	6.5	0.10233	0.0006
					3	0.10517	8	0.10524	0.0007

(6)探究安培力的大小与磁感应强度(通过亥姆霍兹线圈中的电流强度)之间的正比关系

①使磁场方向和铜棒中的电流方向垂直(磁场方向和铜棒中的电流方向的夹角θ＝90°)，保持铜棒的长度不变(L＝8.5cm)，通过铜棒中的电流强度不变(调节直流稳压电源I，使其输出的电流强度即通过铜棒中的电流强度I_L＝2A)。

②读出铜棒中没有电流通过时，电子天平的读数m。

③调节直流稳压电源II，读出通过亥姆霍兹线圈中的电流强度分别为I_B1、I_B2、I_B3时，电子天平的示数m′₁、m′₂、m′₃，并计算安培力的大小F_i＝|m′_i-m|g。

④得出结论：当导体中的电流方向与磁场方向垂直，导体的长度和通过导体中的电流强度都不变时，安培力的大小与磁感应强度成正比。

表3安培力的大小与磁感应强度(亥姆霍兹线圈中的电流强度)的关系

测量次数i	I<sub>Bi</sub>/A	m/kg	m′<sub>i</sub>/kg	F<sub>i</sub>＝\|m′<sub>i</sub>-m\|g/N
					1	0.5	0.1381	0.10386	0.005
2	0.9	0.1381	0.10389	0.008
					3	1.3	0.1381	0.10391	0.010

(7)探究安培力的大小与导体的长度之间的正比关系

①使磁场方向和铜棒中的电流方向垂直(磁场方向和铜棒中的电流方向的夹角θ＝90°)，通过铜棒中的电流强度不变(调节直流稳压电源I，使其输出的电流强度即通过铜棒中的电流强度I_L＝2A)，磁感应强度不变(调节直流稳压电源II，使其输出的电流强度即通过亥姆霍兹线圈中的电流强度I_B＝1A)。

②读出铜棒中没有电流通过时，电子天平的读数m。

③改变铜棒的长度，读出其长度分别为L₁、L₂和L₃时，电子天平的示数m′₁、m′₂和m′₃，并计算安培力的大小F_i＝|m′_i-m|g。

④得出结论：当导体中的电流方向与磁场方向垂直，磁感应强度和通过导体中的电流强度都不变时，安培力的大小与导体的长度成正比。

表4安培力的大小与导体长度的关系

测量次数i	m/kg	L<sub>i</sub>/cm	m′<sub>i</sub>/kg	F<sub>i</sub>＝\|m′<sub>i</sub>-m\|g/N
					1	0.09892	3	0.09897	0.0005
2	0.10227	6.5	0.10233	0.0006
					3	0.10517	8	0.10524	0.0007

(8)探究安培力的大小与磁场方向和电流方向夹角θ正弦sinθ之间的正比关系

①保持铜棒的长度不变(L＝8.5cm)，通过铜棒中的电流强度不变(调节直流稳压电源I，使其输出的电流强度即通过铜棒中的电流强度I_L＝2A)，磁感应强度不变(调节直流稳压电源II，使其输出的电流强度即通过亥姆霍兹线圈中的电流强度I_B＝1A)。

②读出铜棒中没有电流通过时，电子天平的读数m。

③改变磁场方向和电流方向的夹角θ，读出θ分别为0°、30°、...、90°时，电子天平的示数m′₁、m′₂、...、m′₅，并计算安培力的大小F_i＝|m′_i-m|g。

④得出结论：当导体的长度、磁感应强度和通过导体中的电流强度都不变时，安培力的大小与导体中的电流方向与磁场方向的夹角的正弦成正比。

表5安培力的大小与磁场方向和电流方向夹角正弦之间的关系

测量次数i	m/kg	θ/°	sinθ	m′<sub>i</sub>/kg	F<sub>i</sub>＝\|m′<sub>i</sub>-m\|g/N
						1	0.10410	0	0	0.10410	0
2	0.10327	30	0.5	0.10331	0.0004
						3	0.10500	45	0.71	0.10505	0.0005
4	0.10414	60	0.87	0.10420	0.0006
						5	0.10337	90	1	0.10344	0.0007

本实用新型具有结构简单，用铜棒通电前、后电子天平的读数就化情况来判断安培力的方向，用铜棒通电前、后电子天平的读数差值来计算安培力的大小。用通过亥姆霍兹线圈中的电流强度来表征磁感应强度。不仅可以激发学生的学习兴趣，还有助于培养学生的科学探究精神，操作直观简便、实验结果更准确、更有助于学生科学探究安培力的特点等，可广泛运用与其有关领域。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims

1.一种探究安培力特点的综合演示实验仪，包括支架(1)、第一水平仪(2)、三组第一调平螺丝(3)、矩形孔(4)、电子天平(5)、载物台(6)、圆形角度板(7)、铜棒(8)、亥姆霍兹线圈(9)、第一直流稳压电源(10)、第一开关(11)、第二直流稳压电源(12)和第二开关(13)，其特征在于：所述第一水平仪(2)设置在载物台(6)上面，三组所述第一调平螺丝(3)安装在载物台(6)的三个脚上同一位置，所述载物台(6)的中央开设有矩形孔(4)，所述支架(1)的中央开设有矩形孔(4)内；

所述电子天平(5)放置在载物台(6)的下面；所述亥姆霍兹线圈(9)安装在载物台(6)的上面；所述支架(1)上端的圆形承载台刻有凹槽，且支架(1)的侧面附有圆形角度板(7)，所述支架(1)放置在电子天平(5)的上面，且支架(1)穿过载物台(6)上的矩形孔(4)到亥姆霍兹线圈(9)内部的磁场区域；

所述铜棒(8)放置在载物台(6)上的凹槽中，所述第一直流稳压电源(10)、第一开关(11)和铜棒(8)通过导线串联组成第一闭合回路；所述第二直流稳压电源(12)、第二开关(13)和亥姆霍兹线圈(9)通过导线串联组成第二闭合回路。

2.根据权利要求1所述的一种探究安培力特点的综合演示实验仪，其特征在于：所述电子天平(5)上面设有第二水平仪(14)。

3.根据权利要求1所述的一种探究安培力特点的综合演示实验仪，其特征在于：所述电子天平(5)的底部三个脚上设有三个第二调平螺丝。