CN211181346U - 一种用于定性演示和定量探究的实验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种用于定性演示和定量探究的实验装置，气垫导轨滑动面顶端设置有支撑件，气垫导轨上设有滑块，滑块与支撑件区间通过连接线相连接，滑块上贴有磁铁，磁铁一端延伸至滑块顶端呈悬空状态，磁铁延伸段外围穿有线圈，滑块通过连接线牵动将磁铁和线圈沿着气垫导轨倾斜角度轴向做往复滑动，线圈上连接有微电流传感器和定值电阻，线圈与微电流传感器和定值电阻串联成闭合回路，微电流传感器与数据采集器、控制器相连，测量时，改变单摆的摆长，记录多组摆长的变化长度及摆长变化后的周期，对数据进行线性拟合，通过拟合直线的斜率求得重力加速度的值，无需单摆摆长的具体数值，避免由于摆球重心的不确定带来误差；实现周期的较为准确的测量。

Description

一种用于定性演示和定量探究的实验装置

技术领域

本实用新型涉及一种实验装置，尤其涉及到一种探究法拉第电磁感应定律的实验装置。

背景技术

现有技术中，电磁感应定律的定量探究实验装置，水平有机玻璃板上装有步进电动机和圆柱形有机玻璃管，圆柱形有机玻璃管上套有线圈和光电门，光电门连接计时计数测速仪；所述的步进电动机用细线连接电磁铁，电磁铁两端分别装有挡光片，电磁铁与稳压电源、电阻箱和电流表串联组成闭合电路；所述的线圈和发光二极管、电容器串联组成闭合电路；但是在定性演示感应电动势与磁通量变化关系时，一般是用条形磁铁插入、拔出串联了灵敏电流表的闭合线圈，分析插拔的快慢、磁铁的磁场强弱与灵敏电流表指针摆动幅度的关系，得出“感应电动势可能与磁通量变化的快慢有关”的结论，此演示实验采用手动方式改变磁铁的速度，不易控制；灵敏电流表的指针不停的晃动，延续的时间较短，不易观察。实验的操作、观察都存在一定的局限性。

发明内容

本实用新型针对上述技术问题，提供一种能够稳定的呈现磁通量的变化引起感应电动势相应变化的实验现象，并能够定量的探究两者之间关系的实验装置。

为达到上述目的，本实用新型采用的技术方案是：

一种用于定性演示和定量探究的实验装置，它由气垫导轨、磁铁和线圈组成，所述气垫导轨滑动面顶端设置有支撑件，所述气垫导轨上设有滑块，所述滑块与支撑件区间通过连接线相连接，所述滑块上贴有磁铁，磁铁一端延伸至滑块顶端呈悬空状态，所述磁铁延伸段外围穿有线圈，线圈置于气垫导轨上方，调节线圈位置使线圈与滑块保持间距，气垫导轨倾斜设置与地面成一夹角，滑块通过连接线牵动将磁铁和线圈沿着气垫导轨倾斜角度轴向做往复滑动，线圈上连接有微电流传感器和定值电阻，所述线圈与微电流传感器和定值电阻串联成闭合回路，所述微电流传感器与数据采集器、控制器相连。

优选地，采用微电流传感器测感应电流，随着磁铁运动速度的降低，感应电流逐渐减小。

优选地，所述所述磁铁穿越线圈覆盖面积时感应电流值不断变化。

由于上述技术方案运用，本实用新型与现有技术相比具有下列优点：

一种用于定性演示和定量探究的实验装置，气垫导轨滑动面顶端设置有支撑件，所述气垫导轨上设有滑块，所述滑块与支撑件区间通过连接线相连接，所述滑块上贴有磁铁，磁铁一端延伸至滑块顶端呈悬空状态，所述磁铁延伸段外围穿有线圈，线圈置于气垫导轨上方，调节线圈位置使线圈与滑块保持间距，滑块通过连接线牵动将磁铁和线圈沿着气垫导轨倾斜角度轴向做往复滑动，线圈上连接有微电流传感器和定值电阻，所述线圈与微电流传感器和定值电阻串联成闭合回路，所述微电流传感器与数据采集器、控制器相连，本实用新型的测量时，改变单摆的摆长，记录多组摆长的变化长度及摆长变化后的周期，然后对数据进行线性拟合，通过拟合直线的斜率可以求得重力加速度的值，随着条形磁铁运动速度的降低，感应电流逐渐减小，改进后的演示实验现象稳定、直观，持续时间长，便于观察与分析，无需单摆摆长的具体数值，避免了由于摆球重心的不确定所带来的误差；利用电脑、音频编辑软件、光敏二极管以及激光笔组成类似于“光电门”的实验装置，能够实现周期的较为准确的测量。

附图说明

附图1为本实用新型实验装置的结构示意图。

附图2为本实用新型对数据点进行线性拟合图线分析图。

附图3为本实用新型磁铁速度为0.4511 m/s时，感应电流的数据截图。

附图4为本实用新型感应电流的最大值与对应的速度数据表格。

图中：1-气垫导轨，2-磁铁，3-线圈，4-支撑件，5-滑块，6-连接线，7-微电流传感器，8-定值电阻，9-数据采集器，10-控制器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进行详细说明，不能理解为是对本实用新型的限制。

如图1所示，本实用新型一种用于定性演示和定量探究的实验装置，它由气垫导轨1、磁铁2和线圈3组成，所述气垫导轨1滑动面顶端设置有支撑件4，所述气垫导轨1上设有滑块5，所述滑块5与支撑件4区间通过连接线6相连接，所述滑块5上贴有磁铁2，磁铁2一端延伸至滑块5顶端呈悬空状态，所述磁铁2延伸段外围穿有线圈3，线圈3置于气垫导轨1上方，调节线圈位置使线圈3与滑块5保持间距，气垫导轨1倾斜设置与地面成一夹角，滑块5通过连接线6牵动将磁铁2和线圈3沿着气垫导轨1倾斜角度轴向做往复滑动，线圈3上连接有微电流传感器7和定值电阻8，所述线圈3与微电流传感器7和定值电阻8串联成闭合回路，所述微电流传感器7与数据采集器9、控制器10相连；采用微电流传感器7测感应电流，随着磁铁2运动速度的降低，感应电流逐渐减小，所述所述磁铁2穿越线圈7覆盖面积时感应电流值不断变化。

本实用新型实验测量方法为：

S1: 将气垫导轨倾斜放置，磁铁固定于滑块上，用连接线将滑块的一端与气垫导轨的顶端连接，并使连接线与导轨平行，将线圈置于气垫导轨的上端，调节线圈的位置，使线圈与滑块保持距离，调节线圈的高度，磁铁穿入线圈，线圈与微电流传感器、定值电阻串联成闭合回路；

S2：定性探究感应电动势与磁通量变化率的关系：定性探究感应电动势与磁通量变化率的关系随着磁铁运动速度的降低，感应电流逐渐减小，感应电动势与磁通量变化的快慢有关，打开气垫导轨实验装置中的气缸，将滑块从一高度释放，在连接线的作用下滑块在气垫导轨上做往复运动，滑块运动过程中能量逐渐损失，速度逐渐下降，直至停止，固定于滑块上的磁铁穿入或穿出线圈的速度从大到小变化，自动控制速度，系统将感应电流的瞬时变化记录并通过“示波”方式显示，观察感应电流的变化趋势；

S3：定量探究感应电动势与磁通量变化率的关系：将气垫导轨调平，使滑块做匀速直线运动，测量最大值点的瞬时速度，任意一点的速度即为最大值点的速度，通过增加挡光片和光电门调节导轨水平和测量磁铁速度，测量感应电流的最大值时，实验操作界面的“示波”显示，磁铁进出线圈分别会产生一个最大值；S4：用大小不同的力推动滑块，使磁铁以不同的速度穿入线圈，记录感应电流的的最大值及对应的速度，

S4：通过探究得出

，其中速度

为横轴，感应电流

为纵轴。

具体为：

用于定性演示和定量探究的实验测量方法：

将气垫导轨倾斜放置，磁铁固定于滑块上，用连接线将滑块的一端与气垫导轨的顶端连接，并使连接线与导轨平行，将线圈置于气垫导轨的上端，调节线圈的位置，使线圈与滑块保持距离，调节线圈的高度，磁铁穿入线圈，线圈与微电流传感器、定值电阻串联成闭合回路；通过实验现象得出，随着条形磁铁运动速度的降低，感应电流逐渐减小，改进后的演示实验现象稳定、直观，持续时间长，便于观察与分析；通过演示实验，感应电动势与磁通量变化的快慢有关，即与磁通量的变化率有关，

定量探究感应电动势与磁通量变化率的关系；将无法测量的量转化成可以测量的量，实验中，假设磁铁在线圈中发生位移

，所用时间

，平均速度为

，则

，磁通量的变化率

，因为

一定，磁通量的变化量

一定，则

，两边取极限值，

，当磁铁穿过线圈的速度成倍变化时，线圈中的磁通量的变化率也是成倍变化，采用微电流传感器测感应电流。因为

，所以探究方向进一步转化为

，测量一一对应的感应电流

和速度

的数据，磁铁每次穿入、穿出线圈时，总有最大电流产生。

我们分析，条形磁铁穿越线圈跟矩形线圈在磁场中转动的原理一样，每次产生最大感应电流的位置固定不变。以最大值点基准，测量出每次的最大感应电流和此时磁铁的瞬时速度；

打开气垫导轨实验装置中的气缸，将滑块从某一高度释放。由于受细线的作用，滑块在气垫导轨上做往复运动。滑块运动过程中能量逐渐损失，速度逐渐下降，直至停止。这样，固定在滑块上的条形磁铁穿入、穿出线圈的速度从大到小变化，从而达到了自动控制速度的目的，DIS系统能够将感应电流的瞬时变化完全记录下来，通过“示波”的显示方式，观察感应电流的变化趋势。

定量探究感应电动势与磁通量变化率的关系；测量最大值点的瞬时速度，将气垫导轨调平，使滑块做匀速直线运动，任意一点的速度即为最大值点的速度，定量探究的实验装置是在图1的基础上加上挡光片和光电门，作用是调节导轨水平和测量磁铁速度。

如图3测量感应电流的最大值时，在“DIS数字实验室”的实验操作界面的“示波”显示环境下，点击鼠标右键，选中“显示图线中的数据点”和“鼠标显示坐标值”。这样，当鼠标移至数据点时，电脑屏幕会自动显示横、纵坐标值，纵坐标值即为感应电流值。

磁铁一进、一出线圈分别会产生一个最大值，磁铁进线圈时的速度，记录磁铁进入线圈时产生的最大感应电流值，即左边一个最大值。

如图4所示，用大小不同的力推动滑块，使条形磁铁以不同的速度穿入线圈，记录感应电流的的最大值及对应的速度。

如图2所示，将数据记入“计算表格”，点击“绘图”按钮，以速度为横轴，以感应电流为纵轴，画离散点；再利用“图线分析”对数据点进行线性拟合。、

观察数据点的分布规律，可以得出结论：

，即

。

上述实施例只为说明本实用新型的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本实用新型的内容并据以实施，并不能以此限制本实用新型的保护范围。凡根据本实用新型精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种用于定性演示和定量探究的实验装置，其特征在于：它由气垫导轨（1）、磁铁（2）和线圈（3）组成，所述气垫导轨（1）滑动面顶端设置有支撑件（4），所述气垫导轨（1）上设有滑块（5），所述滑块（5）与支撑件（4）区间通过连接线（6）相连接，所述滑块（5）上贴有磁铁（2），磁铁（2）一端延伸至滑块（5）顶端呈悬空状态，所述磁铁（2）延伸段外围穿有线圈（3），线圈（3）置于气垫导轨（1）上方，调节线圈位置使线圈（3）与滑块（5）保持间距，气垫导轨（1）倾斜设置与地面成一夹角，滑块（5）通过连接线（6）牵动将磁铁（2）和线圈（3）沿着气垫导轨（1）倾斜角度轴向做往复滑动，线圈（3）上连接有微电流传感器（7）和定值电阻（8），所述线圈（3）与微电流传感器（7）和定值电阻（8）串联成闭合回路，所述微电流传感器（7）与数据采集器（9）、控制器（10）相连。

2.根据权利要求1所述的用于定性演示和定量探究的实验装置，其特征在于：采用微电流传感器（7）测感应电流，随着磁铁（2）运动速度的降低，感应电流逐渐减小。

3.根据权利要求1所述的用于定性演示和定量探究的实验装置，其特征在于：所述磁铁（2）穿越线圈（3）覆盖面积时感应电流值不断变化。

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