CN220584819U - 安培力实验演示器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种安培力实验演示器，包括：固定安装在框架上且沿竖直方向延伸的导轨；与导轨连接的可相对导轨上下移动的支撑架，其上安装有呈环形的通电线圈和用于检测磁感应强度的磁感应强度传感器；安置在框架顶部且可相对框架水平移动的磁铁；设置在前面板上的安培力显示器、磁感应强度显示器和通电线圈显示器；设置在前面板上的用于改变电流强度的多圈电位器，其电流调节旋钮外露于前面板外；设置在前面板上并标有线圈匝数的接线端。本实用新型安培力实验演示器，结构简单，操作方便，可清楚展示安培力与电流强度、磁感应强度、导体长之间的定量关系，使学生对上述数据可以直接观察，有助于更好掌握三者之间关系。

Description

安培力实验演示器

技术领域

本实用新型涉及教学用具技术领域，尤其涉及一种安培力实验演示器。

背景技术

安培力实验是高中电磁学中重要的实验之一，电磁的相互转换、电磁力以及磁场与电流之间的相互作用是老师必须教授的知识点，由于磁场通常是看不见、摸不着的，如果没有借助教具直观的演示，对于老师讲解和学生的理解和掌握都带来很大的不便。因此，需要利用适合中学老师教学用的安培力演示器辅助教学，以达到理想的授课效果。

现在教学中最普遍用的是通电导体(一般是质量很轻的空心铜管)在磁场中受到力后沿水平方向运动，以及改变磁场方向或电流方向，安培力的方向发生改变，以加深学生对左手定则概念的掌握，如，采用中国专利号为CN218004260U、名称为教学用安培力演示器来进行教学演示，但是，此套实验装置不能让学生更加直观地观察到安培力与电流强度、磁感应强度、通电导体长度之间的定量关系。

发明内容

本实用新型的目的就是为了解决上述问题，提供一种安培力实验演示器，其结构简单，操作方便，可以清楚地展示安培力与电流强度、磁感应强度、通电导体长度之间的定量关系，使学生对上述数据可以直接观察，并利用安培力公式将实验数据代入公式计算验证F＝BIL。

为实现本实用新型的上述目的，本实用新型提供一种安培力实验演示器，其包括：框架；固定安装在框架上且沿竖直方向延伸的导轨；与所述导轨连接的可相对导轨上下移动的支撑架，其上安装有呈环形的通电线圈和用于检测磁感应强度的磁感应强度传感器；安置在所述框架顶部且可相对框架水平移动以便其与所述通电线圈之间发生磁通量变化的磁铁；设置在所述前面板上的用于分别显示安培力、磁感应强度和通电导体电流强度显示器；设置在所述前面板上的用于改变电流强度的多圈电位器，其电流调节旋钮外露于前面板外。设置在前面板上多个可连入电路中线圈不同匝数的接线端

优选的，还包括用于固定所述磁铁的磁铁架。

优选的，还包括与所述框架顶部滑动连接的滑座，所述磁铁架一侧与所述滑座转动连接。

优选的，还包括固定安装于所述滑座一端的其上设置角度标示线的竖直角度板。

优选的，所述角度板为其上标示有0-90度标示线的弧形角度板。

优选的，所述角度板的上部设置用于供调节螺栓穿过的弧形槽。

优选的，所述磁铁架的上部设置连接板，连接板上设置有用于供所述调节螺栓穿过的通孔。

优选的，还包括设置在所述前面板上的用于改变所述通电线圈接入匝数的多个匝数插线端。

优选的，所述框架内部安装有用于为安培力显示器、磁感应强度显示器、电流显示器、多圈电位器、通电线圈、磁感应强度传感器、匝数插线端供电的电源模块。

优选的，所述框架后背板设置有电源引出孔，电源线经电源引出孔与电源模块连接。

与现有技术相比，本实用新型的安培力实验演示器具有如下优点：

1、本实用新型的安培力实验演示器，结构简单，操作方便，可以清楚地展示安培力与电流强度、磁感应强度、通电导体长度之间的定量关系，使学生对上述数据可以直接观察，有助于更好理解掌握。

2、本实用新型的安培力实验演示器，在前面板上的安培力显示器、磁感应强度显示器、电流显示器可以实时显示实验过程中安培力、磁感应强度和通电电流的数据，使学生可以直接观看到上述数据，极大加深学生在实验过程中对安培力、电流强度、磁感应强度、通电导体长度之间定量关系的理解。

下面结合附图对本实用新型进行详细说明。

附图说明

图1是本实用新型实施例安培力实验演示器的立体图；

图2-图4分别是本实用新型实施例支撑架的主视图、左视图和俯视图；

图5是本实用新型实施例磁铁的结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，为本实用新型提供的安培力实验演示器的结构示意图，由图可知，本实用新型安培力实验演示器包括：框架1；固定安装在框架上且沿竖直方向延伸的导轨14；与导轨连接的可相对导轨上下移动的支撑架15，其上安装有呈环形的通电线圈4和用于检测磁感应强度的磁感应强度传感器(图中未示出，磁感应强度传感器位于通电线圈中间位置)；安置在框架顶部且可相对框架水平移动以改变其与通电线圈之间发生磁通量变化的磁铁5；设置在前面板上的用于分别显示安培力、磁感应强度和通电电流强度显示器，安培力显示器12、磁感应强度显示9和电流显示器11；设置在前面板上的用于改变电流强度的多圈电位器，其电流调节旋钮10外露于前面板外，此外，还包括用于固定磁铁的磁铁架。

本实用新型的安培力实验演示器，结构简单，操作方便，在前面板上的安培力显示器、磁感应强度显示器、电流显示器可以实时显示实验过程中安培力、磁感应强度和通电电流的数据，使学生可以直接观看到上述数据，极大加深学生在实验过程中对安培力、通电导体长度、电流强度及磁感应强度之间定量关系的理解。

具体的，本实用新型的框架1呈长方体形，在框架前部设置前面板，后部设置后背板，在前面板上开设通孔，通孔处安装有导轨，导轨具有沿竖直方向延伸的滑槽。在框架内部安置有支撑架，如图2-图4所示，支撑架包括竖直安置的竖直架体和将竖直架体与轨道连接的连接架体，连接架体与导轨的滑槽滑动连接。为了便于连接且可根据需要调整支撑架的高度，连接架体可采用L形板，L形板的沿框架宽度方向延伸的后板与支撑架固定连接、沿框架长度方向延伸的前板位于滑槽前侧，且在前板上开设通孔，通过穿过通孔且部分卡置于导轨滑槽内的调节螺杆将前板与导轨滑动连接，即，使支撑架与导轨滑动连接。实验时，拧松调节螺杆，将支撑架调节到所需高度(该高度可通过设置在前面板上的刻度线13读出)，再拧紧调节螺杆，即可将支撑架锁定在该高度。当然，也可以采用现有技术的其它方式将连接架体与导轨滑动连接在一起。

本实用新型在支撑架竖直架体的顶端固定安装有呈环形的通电线圈和用于检测磁感应强度的磁感应强度传感器。组装时，可将磁感应强度传感器安置在环形通电线圈的中间位置，实验时，通过调节支撑架相对导轨的高度可以改变通电线圈距上方磁极间距，从而改变两者间产生的磁感应强度。进一步的，可在支撑架竖直架体上部设置与其固定连接且沿水平方向伸出的线圈固定板3，通电线圈安置在该线圈固定板上。

其中，本实用新型在框架顶部安置可相对框架水平移动以改变其与通电线圈之间发生磁通量变化的磁铁52。设计时，框架顶部设有沿框架长度方向水平延伸的滑轨，滑轨上安置有与其滑动连接的滑座51(参见图5)，磁铁上固定安装有磁铁架53，磁铁架一侧(如后侧)与滑座通过合页54转动连接，通过掀动磁铁架可改变从而带动磁铁改变与滑座之间的角度，即，达到改变磁场方向与通电线圈电流方向的夹角目的。

而为便于观察磁场方向与通电线圈电流方向的夹角，在滑座一端(如右端)固定安装其上设置有角度标示线的沿竖直方向延伸的角度板7，该角度板为其上标示有0-90度标示线的弧形角度板，在角度板的上部设置用于供调节螺栓8穿过的弧形槽6，相应的，在磁铁架的上部设置竖直延伸的连接板，连接板上设置有用于供调节螺栓穿过的通孔。设计时，连接板应位于磁铁架的靠近前面板处。使用时，调节螺栓穿过角度板的弧形槽和连接板上的通孔与连接板固定连接，而调节螺栓的末端伸出在角度板外，以便可以握住调节螺栓末端而带动调节螺栓在弧形槽内移动，从而带动连接板、磁铁架、磁铁相对滑座旋转，并通过标示在角度板上的角度标示线获得磁场方向与通电线圈电流方向的夹角。

其中，使磁铁沿框架顶部滑动可以采用手动的方式，如通过推动滑座使磁铁沿框架移动，也可以采用电动的方式推动滑座使磁铁沿框架移动。当采用电动方式时，可以在框架顶部安装一电机驱动装置，如，电机驱动丝杆螺母传动装置，将螺母与滑座或角度板或磁铁架固定连接，从而在电机工作时可以带动磁铁水平移动。当然，也可以采用现有技术的其它方式使磁铁沿框架移动。

此外，在框架内部安装有电源模块(图中未示出)，在框架后背板上开设有电源引出孔，带有插头的电源线经电源引出孔与电源模块的电源模块连接，以通过电源模块为各用电元器件供电。

为了可以改变通电导线长度，在前面板上设置用于改变通电线圈接入匝数的多个匝数插线端2及公共端16(图中示出6个匝数插线端，由上至下插线端匝数依次递增，可根据通电线圈的匝数情况确定递增匝数，如总匝数为300，则可依次递增50)，多个匝数插线端及公共端的插孔设置在前面板前侧、端子位于前面板背侧(即框架内部)。多个匝数插线端中的任一个插线端的插孔及公共端的插孔通过连接插线17电连接，而位于前面板背侧的多个匝数插线端的端子分别通过导线与通电线圈对应圈数连接，公共端的端子通过导线与电源模块电连接。通过将连接插线的一端插入公共端、另一端插入某一匝数插线端内而实现将对应匝数通电线圈接入电路的目的，即，实验中可采用不同长度的通电导体。

为了可以对电流强度进行调节，在前面板上设置用于改变电流强度的多圈电位器，其电流调节旋钮10外露于前面板前侧以便手动调节，而电位器的主体部分位于前面板背侧(即框架内部)。多圈电位器也与电源模块电连接。

为了可以实时观察实验中的安培力、磁感应强度、电流的大小，本实用新型在前面板上分别设置有用于显示安培力、磁感应强度和电流强度显示器，从而使学生可以通过对实验数据记录并计算来验证安培力公式F＝BIL加深对上述参数之间定量关系的理解，上述安培力显示器、磁感应强度显示器和电流显示器均与电源模块电连接。此外，还设置有根据通电线圈接入匝数计算通电导体长度，根据检测到的电流、磁感应强度、通电导体长度计算安培力的计算模块。进一步的，还可设置用于检测磁场方向和通电导线电流方向夹角的角度检测模块，并在前面板上设置可显示角度检测模块所检测角度的角度显示器，且计算模块可根据检测到的电流、磁感应强度、通电导体长度、磁场方向和通电导线电流方向夹角计算安培力。其中实现上述计算的电路为本领域技术人员易于实现，在此不再细述。

下面，以一具体实施例对本实用新型的安培力实验演示器及其操作过程进行说明。

采用不锈钢材质制作整体框架，尺寸可为200×450×250mm，在框架顶端安置普通磁铁，尺寸可为100×150×20mm，且磁场方向向下，磁铁左侧对准线圈上方框架中心标线，线圈向上调至靠近磁极处最大，磁感强度为800GS左右，磁铁安装在磁铁架上，磁铁架一侧与滑座转动连接，滑座可沿框架顶部沿长度方向水平移动。磁铁架与滑座转动连接，使得磁铁架可相对滑座改变角度，以便调节磁铁与线圈电流方向的夹角。通电线圈与磁铁的磁场间夹角可通过调节螺栓带动磁铁架相对滑座旋转实现，调节时，可将磁场方向与通电线圈从垂直90°调至0°，并可通过角度标示线显示调节的角度。

通电线圈可采用中空的长方形，尺寸可为5*12cm(在磁场中有效长度为10cm即0.1m)，总共300匝，并设有六个可改变匝数的插线端，如可分别改变为50、100、150、200、250、300匝线圈，初始时通电线圈与磁场方向垂直，通电线圈的电流方向可为由上至下俯看时的逆时针方向，在磁场中是指向内的方向。在通电线圈内部设置相对线圈固定的磁感应强度传感器，可采用工作电压5V、测量范围为±1000GS的磁感应强度传感器。

其中，可采用工作电压5V，测量范围10.0N的力传感器，可将通电导线所受磁场力在显示器上显示出来。可采用工作电压12V的电流强度显示器(红字数显)，单位A，精度0.001A，误差±0.01A，测量范围0-2A。可采用显示的数字从右-左为个位、十位、百位、千位的磁感应强度显示器(红字数显)，如显示的是“0043”，就是43GS，显示0764，就是764GS。采用工作电压12V的多圈电位器，通过旋转其电流调节旋钮，可精准调节通过通电线圈的电流强度。

在框架的前面板上设置橡胶插头插孔，共7个，其中1个是公共端，另外6个分别是通电线圈50匝、100匝、150匝、200匝、250匝、200匝的对应端。

采用上述演示器进行实验时，可实现如下操作：

1、先将磁铁架水平放在实验框架上，可向上旋转一端朝向自己，将磁铁架沿框架顶端水平移动，磁铁前端与框架上方所画标记线位置对齐(此处磁感应强度最大)，此时磁铁的磁场方向向下。与通电线圈接通电源线，此时，电流强度，安培力均显示为“0”，磁感应强度显示当前线圈所处位置的磁感应强度，此时通电线圈还没有连入电路，为待机状态，长按安培力清零键显示清零。

2、安培力大小与通电导线长度关系探究实验：

实验过程中从低-高改变线圈匝数，50匝连入电路前应先将电流调节旋钮逆时针转至最低位，以避免接通后电流过大。通过连接插线(导线)将公共端与50匝端接通，旋转电流调节旋钮，将电流调至0.4A(只有50匝时电流不能超过0.4A，其余100匝......300匝可任意选择电流强度)，因为在每次改变匝数时，电流强度也会发生改变，所以每次都应用微调方式，尽量精准将电流调至0.4A。

3、安培力大小与电流强度关系实验：

做此实验将导体长度(线圈匝数)恒定，选择100匝以上都可以，但不可选择50匝线圈，因为六组实验数据，50匝线圈最大电流不能超过1.5A。线圈调至最高位置使磁感应强度最大。分别将电流强度改变六次，电流最大可调至2A，所以首次可选择0.3A，其次0.6A，0.9A，1.2A，1.5A，1.8A，当然也可以选择0.2A，0.4A......。尽量使前后两次电流成倍数关系，以方便观察安培力大小是否是倍数关系。

4、安培力大小与磁感应强度关系：

选择300匝的最长导线长度，电流强度可选择最高0.6A，①记录线圈在距磁极最近位置时(即通电线圈的位置最高)的磁感应强度，记录安培力数据。②松动调节螺杆，使通电线圈向下移动5mm左右，并记录磁感应强度和安培力数据。③④⑤⑥操作一样，使通电线圈依次下降，只是每次的磁感应强度可不是整数倍数关系，要通过计算得出每次的倍数关系以及每次安培力的倍数关系。通过六次实验数据得出安培力大小与磁感应强度关系。

5、安培力大小与磁场方向和通电导线电流方向夹角的正弦值关系探究实验；

首先将线圈向上调至到最上方(即最高处)，以便以最大磁感应强度做此实验。因为磁场强度传感器探头距磁极越远，检测到的磁感应强度也会越小，F＝BILsinθ中的B、I、L都应该是定量，只有夹角是变量，所显示的安培力数据才能证明安培力大小与磁场方向和通电导线电流方向夹角的正弦值关系。导体长度和通电电流不变，磁场方向和通电导线电流方向夹角变小，安培力F也变小，当磁场方向和通电导线夹角为“0”时，安培力为“0”。

6.磁通量变化产生感应电流实验：

将电源线拔掉，磁铁向右移动远离线圈，线圈公共端和300匝端分别用导线与灵敏电流计两电极端接通，(1).磁铁向左移动使线圈进入磁场至全部进入磁场中观察指针偏转情况，只有磁通量发生变化才能产生感应电流，磁通量不变则不能产生感应电流。(2)按照上面操作可选择漫—中—快三个不同速度实验。会发现速度越快指针偏转越大，证明线圈切割磁力线速度越快，产生感应电流越大。

上述这些实验数据可提供同学们做为参考。在实验中，可根据实际情况确定各实验次数或选用的参数(参数是指电流强度I、磁感应强度B、通电导体长度L、安培力F、磁场方向和通电导线电流方向夹角θ)。

综上，采用本实用新型安培力实验演示器，可以进行安培力大小与通电导线长度关系探究实验、安培力大小与电流强度关系探究实验、安培力大小与磁感应强度关系探究实验，并可直观观察实验中安培力、电流强度及磁感应强度的数值，通过数字显示验证安培力F与通电导体长度L电流轻度I及磁感应强度B之间的定量关系，此外，还可以进行安培力大小与磁场方向和通电导线电流方向夹角的正弦值关系探究实验，且进行各实验操作简单，快捷，极大简化实验步骤，节约老师课堂演示时间，提高教学效率与学生对磁场作用的理解效果。

尽管上文对本实用新型作了详细说明，但本实用新型不限于此，本技术领域的技术人员可以根据本实用新型的原理进行修改，因此，凡按照本实用新型的原理进行的各种修改都应当理解为落入本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种安培力实验演示器，其特征在于，包括：

框架；

固定安装在框架上且沿竖直方向延伸的导轨；

与所述导轨连接的可相对导轨上下移动的支撑架，其上安装有呈环形的通电线圈和用于检测磁感应强度的磁感应强度传感器；

安置在所述框架顶部且可相对框架水平移动以便其与所述通电线圈之间发生磁通量变化的磁铁；

设置在前面板上的用于分别显示安培力、磁感应强度和通电电流的安培力显示器、磁感应强度显示器和电流显示器；

设置在所述前面板上的用于改变电流强度的多圈电位器，其电流调节旋钮外露于前面板外。

2.根据权利要求1所述的安培力实验演示器，其特征在于，还包括用于固定所述磁铁的磁铁架。

3.根据权利要求2所述的安培力实验演示器，其特征在于，还包括与所述框架顶部滑动连接的滑座，所述磁铁架一侧与所述滑座转动连接。

4.根据权利要求3所述的安培力实验演示器，其特征在于，还包括固定安装于所述滑座一端的其上设置角度标示线的竖直角度板。

5.根据权利要求4所述的安培力实验演示器，其特征在于，所述角度板为其上标示有0-90度标示线的弧形角度板。

6.根据权利要求4或5所述的安培力实验演示器，其特征在于，所述角度板的上部设置用于供调节螺栓穿过的弧形槽。

7.根据权利要求6所述的安培力实验演示器，其特征在于，所述磁铁架的上部设置连接板，连接板上设置有用于供所述调节螺栓穿过的通孔。

8.根据权利要求1所述的安培力实验演示器，其特征在于，还包括设置在所述前面板上的用于改变所述通电线圈接入匝数的多个匝数插线端。

9.根据权利要求8所述的安培力实验演示器，其特征在于，所述框架内部安装有用于为安培力显示器、磁感应强度显示器、电流显示器、多圈电位器、通电线圈、磁感应强度传感器、匝数插线端供电的电源模块。

10.根据权利要求1所述的安培力实验演示器，其特征在于，所述框架后背板设置有电源引出孔，电源线经电源引出孔与电源模块连接。