CN211787791U - 一种数字化安培力演示装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型是一种数字化安培力演示装置，可解决现有的安培力实验教具采用手工转动，精度低误差大的技术问题。本实验装置包括底座上设置支架，支架顶部设置横杆；线圈经力传感器吊挂在横杆上；还包括转盘、转轴和电动机，电动机固定在底座上，转轴固定在电动机上，转盘固定在转轴的顶部；所述磁铁包括两块，平行放在转盘上，对应线圈位置且分别在线圈的两侧；线圈为通电线圈，对应的通电电路上接入电流传感器；力传感器、电流传感器分别经数据采集器与计算机连接。本实用新型通过高精度力传感器和电流传感器直接测量安培力和电流，并通过数据采集器实时输入到电脑中，在电脑中通过软件记录数据并显示出安培力随时间和角度变化的波形，操作简单，精度高。

Description

一种数字化安培力演示装置

技术领域

本实用新型涉及物理实验教具技术领域，具体涉及一种数字化安培力演示装置。

背景技术

高中教材中没有提供实验装置定量直观展示安培力与磁场和导线夹角的函数关系，对于安培力与电流、导线长度及磁感应强度间的关系只提供了定性分析的实验方案。

现有教具在测量安培力时，使用电子秤间接测量线圈重量的变化，并手工记录数据，再通过公式F＝mg换算成安培力，不能实时采集数据并显示出安培力。现有教具在测量角度时采用人工旋转磁场，不能实现匀速转动，且手工控制角度不精确，测量误差较大。

实用新型内容

本实用新型提出的一种数字化安培力演示装置，可解决现有的安培力实验教具采用手工转动，精度低误差较大的技术问题。

为实现上述目的，本实用新型采用了以下技术方案：

一种数字化安培力演示装置，包括磁铁、线圈及电源，还包括底座，底座上设置支架，支架顶部设置横杆；

所述线圈经力传感器吊挂在横杆上；

还包括转盘、转轴和电动机，电动机固定在底座上，转轴固定在电动机上由电动机带动转动，转盘固定在转轴的顶部，转盘随转轴的转动而转动；

所述磁铁包括两块，磁铁一和磁铁二，磁铁一和磁铁二摆放在转盘上，磁铁一和磁铁二相互平行的对应线圈位置且分别在线圈的两侧，即磁铁一和磁铁二内部构成匀强磁场，线圈处于匀强磁场中；

所述线圈为通电线圈，对应的通电电路上接入电流传感器；

所述力传感器、电流传感器分别经数据采集器与计算机连接。

进一步的，所述力传感器通过挂钩吊挂在横杆上，线圈挂在力传感器的下方。

进一步的，所述支架为有机玻璃框架。

进一步的，所述转盘为圆形。

进一步的，所述线圈为可调匝数线圈。

进一步的，所述横杆为金属杆，金属杆穿过有机玻璃框架的两片有机玻璃与底座固定。

进一步的，所述电动机为直流电动机或交流电动机。

由上述技术方案，对比现有技术可知：

1、现有教具在测量安培力时，使用电子秤间接测量线圈重量的变化，再通过公式F＝mg换算成安培力，不能实时采集数据并显示出安培力。本实用新型通过高精度力传感器和电流传感器直接测量安培力和电流，并通过数据采集器实时输入到电脑中，在电脑中通过软件记录数据并显示出安培力随时间和角度变化的波形，操作简单，精度高。

2、现有教具在测量角度时采用手动旋转线圈，线圈发生转动会影响到对线圈所受安培力的测量，另外手动转动时角度控制不精确，而且只能在360度内旋转，否则导线会缠绕，且不能实现匀速转动，测量误差较大。本实用新型将线圈固定，通过旋转磁场来实现线圈与磁场夹角的变化。将磁铁固定在圆形转盘上，转盘下方安装微型直流电动机可带动转盘匀速转动，并且转速可以调节，实现磁场与导线夹角的均匀变化。所以夹角的变化与时间成正比，从而由安培力与时间的函数关系图得到安培力与磁场和导线夹角的函数关系。

综上可知，本实用新型的数字化安培力演示装置，可实现安培力与磁场和导线夹角的正弦函数关系直观展示及定量研究，同时也可以定量研究安培力与其他因素的关系(电流、导线长度、磁感应强度)，验证安培力一般表达式 F＝ILB sinθ，其中F为安培力，I为电流，L为导线有效长度，B为磁感应强度，θ为磁场与导线的夹角。同时本装置也可以探究电磁感应现象及交变电流。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图；

图2是本实用新型的结构连接关系示意图；

图3和图4是本实用新型实施例在做安培力的测量实验时线圈受力示意图。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。

如图1和图2所示，本实施例所述的数字化安培力演示装置，包括磁铁4、线圈3及电源，还包括底座1，底座1上设置支架2，支架顶部设置横杆21；

所述线圈3经力传感器8吊挂在横杆21上；

还包括转盘5、转轴6和电动机7，电动机7固定在底座1上，转轴6固定在电动机7上由电动机7带动转动，转盘5固定在转轴6的顶部，转盘5随转轴6的转动而转动；

所述磁铁4包括两块，磁铁一41和磁铁二42，磁铁一41和磁铁二42摆放在转盘5上，磁铁一41和磁铁二42相互平行对应线圈3位置且分别在线圈3的两侧，即磁铁一41和磁铁二42内部形成匀强磁场，线圈3处于匀强磁场中；

所述线圈3为通电线圈，对应的通电电路上接入电流传感器10；

所述力传感器8、电流传感器10分别经数据采集器11与计算机12连接。

所述力传感器8通过挂钩吊挂在横杆21上，线圈3挂在力传感器8的下方，采用挂钩方便拿取；

所述支架2为有机玻璃框架，玻璃框架视觉透明，不影响学生观察实验。

所述转盘5是圆形也可以是其他形状；

其中，本实施例直流电动机转轴固定在转盘中心，也可以通过齿轮等传动装置间接带动转盘转动。

本实施例采用直流电动机，也可以采用交流电动机。

本实施例采用两块方形磁铁产生匀强磁场，也可以采用励磁线圈等可以产生匀强磁场的装置。

本实施例通过改变电压调节电动机转速，也可以用调速器调控转速。

本实施例包含以下电路：

电路1：线圈电源、电流传感器10和可调匝数线圈3组成闭合回路，给线圈通电。通电导线在磁场中受到安培力的作用。

电路2：

可调电压源与直流电动机相连组成闭合回路，给直流电动机通电使其转动。

本实用新型实施例的具体结构和工作原理如下：

底座1上安装微型直流电动机，电动机转轴6上安装圆形转盘5，电动机7可带动转盘5转动。转盘5上方固定有N,S两极正对的方形磁铁，其内部可认为是匀强磁场。自制的可调匝数线圈3上端挂在力传感器8上，下端放入匀强磁场中；力传感器8固定在金属杆中间，金属杆穿过两片有机玻璃与底座1固定。

传感器及数据采集与显示：

力传感器8，电流传感器10将信号通过数据采集器传输到电脑中，实时输出安培力和电流信号，直观展示安培力随时间变化的图像，即安培力与磁场和导线夹角的函数关系(转盘匀速转动，夹角与时间成正比)。

以下结合具体实验原理具体说明：

安培力的测量：

如图3和图4所示，线圈通电时处于静止状态，重力与拉力平衡，接通电源，线圈仍是静止，水平方向导线受力平衡，竖直方向拉力等于重力和安培力之和，所以底边线圈所受安培力等于两次拉力之差T₂-T₁。实际操作中，可在线圈不通电时，logger pro 3.15软件中按下归零按钮，类似于电子秤中的去皮功能，再给线圈通电，此时拉力显示值即为安培力。这一力传感器，操作方便简单，数据容易处理，其精确度高达10^-3N。

磁场与电流方向夹角的改变：

通过转动转盘改变磁场方向，从而可以改变磁场与电流的夹角，为了观察连续性变化，可用电动机带动转盘匀速转动，由于Δθ＝ωt，则夹角与时间成正比。安培力就会随着夹角的变化而变化，并通过传感器将力的信号实时输出。安培力与时间的关系即为安培力与夹角的关系。

通过上述实验，可得如下数据关系：

(1)磁场与电流夹角为90度时，安培力最大；夹角为零时，安培力为零。

(2)转盘匀速转动时安培力随时间的变化。

通过F-t图像曲线图可知，当前校准：0.9940图线弥合后为正弦函数。由于是匀速转动，夹角与时间成正比。

结论：在误差允许的范围内，在其他因素不变情况下，安培力与夹角成正弦函数关系。

通过逐渐增大转速的F-t图像可知，保持其他因素不变，逐渐增大转盘转速，观察安培力随时间变化的图像，可得：

结论：保持其他因素不变，随着转速的增大，安培力变化频率也在逐渐增大。

通过逐渐减少电流的F-t图像可知，保持其他因素不变，逐渐减小电流，观察安培力随时间变化的图像。

结论：保持其他因素不变，随着电流的逐渐减小，安培力的峰值在逐渐减小。

通过F-I图像可知，可得F与I之间的关系在误差允许的范围内，当磁场和通电导线长度不变时，F与I成正比。

结合表1和F-N图像可知：探究F与L间的关系：

表1

结论：在误差允许的范围内，安培力与线圈匝数成正比。即安培力与导线有效长度成正比。

最后探究F与B间关系如下：

保持电流和匝数不变，增大方形磁铁距离，探究安培力与磁场强弱的关系。

结论：在误差允许的范围内，磁场越强安培力越大，斜率越大，这个斜率可以反应磁场强弱。

综上：本实用新型实施例在误差允许的范围内，精确地探究了安培力与磁场与电流夹角、电流，长度，磁感应强度的关系，解决了F＝BIL sinθ这一表达式的定量探究。

针对本实用新型实施例进行误差分析如下：

(1)线圈竖直两边切割磁感线会产生变化的反电动势，但由于转盘转速、磁感应强度、导线切割磁感线的有效长度均较小，所以反电动势影响较小。

(2)磁场的边缘效应，线圈四条边都会受到安排力，竖直的两边受力水平方向，线圈的上边也会受到安培力，但由于外围磁场较弱，几乎不受力。

(3)换成更大磁铁或者励磁线圈产生匀强磁场。

(4)不同圈所对应有效长度稍有区别，用匝数来代替有效长度有误差。

(5)采用拉力传感器和电流传感器，通过数据采集器传输到电脑，用软件直接生成图像，数据精度高，作图误差可以忽略。

(6)在探究安培力F与线圈匝数N关系时，图像是用excel生成的，存在作图误差。

总体来说，虽然误差不可避免，但是对于我们的探究所起的影响很小，由于仪器设备的改进，实验的精确度得以大幅提升。

综上可知，本实用新型实施例的效果如下：

学生可通过本装置进行实验，能够对磁场与通电导线平行时安培力为零以及安培力与磁场和导线夹角的正弦函数关系更加信服，对这一物理观念和科学思维有进一步深入认识。

本实验教具的构思非常奇妙，用方形磁铁代替了马蹄形磁铁，将竖直方向磁场转变为水平方向磁场，从而通电导线受水平的安培力转为受竖直方向的安培力，大大开阔了思维，容易直接测量安培力。用可调匝数线圈代替单根通电导线，使实验效果更加明显。本实验采用了传感器，使得数据的测量方便精确，解决了安培力难以测量这一难点。电脑软件logger pro 3.15直接拟合力与磁场和导线间夹角的关系，拟合效果好，精确度高，实现了磁场与电流平行时不受安培力的实验演示，实现了安培力随夹角的连续性变化图像，真正实现了影响安培力因素的定量测量，使学生对磁场的认识从定性转为定量，从被动接受转为主动探究，培养了学生的学习兴趣，实验探究能力得以提升。

实际上本实验装置与后续要学习的交变电流装置是相似的，为学生学习电磁感应和交变电流打下实验基础。将本实验与教材上的理论推导相结合，可以让学生更加信服，也可以进一步体会物理学理论与实验间的契合。

总而言之，本实用新型实施例具备以下特点：

1.演示了磁场与通电导线平行时，通电导线所受安培力为零；

2.实验数据精确；

3.实验数据清楚直观的得出了安培力与磁场和导线夹角之间的正弦关系；

4.实验可全面探究F与I、L和B的定量关系。

以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种数字化安培力演示装置，包括磁铁(4)、线圈(3)及电源，其特征在于：还包括底座(1)，底座(1)上设置支架(2)，支架顶部设置横杆(21)；

所述线圈(3)经力传感器(8)吊挂在横杆(21)上；

还包括转盘(5)、转轴(6)和电动机(7)，电动机(7)固定在底座(1)上，转轴(6)固定在电动机(7)上由电动机(7)带动转动，转盘(5)固定在转轴(6)的顶部，转盘(5)随转轴(6)的转动而转动；

所述磁铁(4)包括两块，磁铁一(41)和磁铁二(42)，磁铁一(41)和磁铁二(42)摆放在转盘(5)上，磁铁一(41)和磁铁二(42)相互平行对应线圈(3)位置且分别在线圈(3)的两侧，即磁铁一(41)和磁铁二(42)内部构成匀强磁场，线圈(3)处于匀强磁场中；

所述线圈(3)为通电线圈，对应的通电电路上接入电流传感器(10)；

所述力传感器(8)、电流传感器(10)分别经数据采集器(11)与计算机(12)连接。

2.根据权利要求1所述的数字化安培力演示装置，其特征在于：所述力传感器(8)通过挂钩吊挂在横杆(21)上，线圈(3)挂在力传感器(8)的下方。

3.根据权利要求1所述的数字化安培力演示装置，其特征在于：所述支架(2)为有机玻璃框架。

4.根据权利要求1所述的数字化安培力演示装置，其特征在于：所述转盘(5)为圆形。

5.根据权利要求1所述的数字化安培力演示装置，其特征在于：所述线圈(3)为可调匝数线圈。

6.根据权利要求3所述的数字化安培力演示装置，其特征在于：所述横杆(21)为金属杆，金属杆穿过有机玻璃框架的两片有机玻璃与底座(1)固定。

7.根据权利要求1所述的数字化安培力演示装置，其特征在于：所述电动机(7)为直流电动机或交流电动机。

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