一种安培力定量演示器的制作方法

1.本实用新型涉及一种安培力定量演示器，属于教育用具技术领域。


背景技术：

2.安培力是通电导线在磁场中受到的作用力，由法国物理学家a
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安培首先通过实验确定，具体可表述为：以电流强度为i的长度为l的直导线，置于磁感应强度为b的均匀外磁场中，导线受到的安培力的大小为f＝iblsinα，式中α为导线中的电流方向与b方向之间的夹角，f、l、i及b的单位分别为n、m、a及t。安培力的方向垂直于由通电导线和磁场方向所确定的平面，且i、b与f三者的方向由左手定则判定。任意形状导线在均匀磁场中受到的安培力，可看作无限多直线电流元iδl在磁场中受到的安培力的矢量和。
3.而磁场强度和安培力是物理教学中的一个难点，f＝iblsinα这个公式说明了安培力的大小与磁场强度、电流大小以及导线长度有关，左手定则反映了电流、磁场以及安培力三者的方向。然而，由于磁场看不见、摸不着，对学生而言非常抽象；而安培力虽然可以测定，但是由于安培力实在太小，一般学校物理实验室内的设备根本无法去测定安培力，而且一些教材中给出的实验中的磁场并非匀强磁场，并且只是定性地研究安培力，无法定量的让学生感受安培力，不利于学生深度理解掌握安培力，这些缺陷也给安培力蒙上了一层神秘的面纱。
4.公开号为cn102298867a的中国发明专利中公开的安培力演示装置，包括支架、支撑板、铁丝、可调电源、蹄形磁铁，还包括电子分析天平、开关、连接杆，所述支撑板安装在支架顶端，电子分析天平置于支撑板上，支撑板上有圆孔，电子分析天平的下挂钩穿过支撑板上的圆孔与连接杆的一端固定连接；蹄形磁铁水平置于于支架底部；铁丝固定在连接杆的另一端；所述铁丝不接触的水平的置于蹄形磁铁的n极和s极之间；可调电源、开关、铁丝通过导线串联连接，组成闭合回路电路。
5.上述参考例使用蹄形磁铁产生磁场强度，这样磁场强度容易获得，但是磁场不能调控，不利于探究安培力与磁场之间的关系。
6.综上可知，现有技术在实际使用上显然存在不便与缺陷，所以有必要加以改进。


技术实现要素：

7.为了克服上述现有技术中的缺点，本实用新型设计了一种安培力定量演示器，其能够定量的测量安培力，同时让学生更加直观地感受安培力，让学生更加容易掌握、理解安培力。
8.为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：
9.一种安培力定量演示器，包括从下至上依次设置的底座、转盘、励磁组件和刻度板，还包括力传感器、电流传感器、电压传感器、支撑架、可调电源和用于检测转盘旋转角度的角度传感器，转盘与底座旋转连接；励磁组件包括u型座和励磁线圈，u型座设置有两个且u型座的u型凹槽沿水平方向相对设置，励磁线圈设置有两个，且分别设置在两个u型座的u
型凹槽内，刻度板与u型座之间固定设置有顶撑杆，且顶撑杆的底端贯穿u型座与转盘固定连接，刻度板上设置有竖直方向上的通孔，刻度板上端面还设置有以通孔的圆心轴线为旋转轴旋转阵列设置的一圈角度标识；力传感器滑动设置在支撑架上，且力传感器的底端设置有竖直向下的挂钩，挂钩上固定设置有竖直向下的矩形线圈，且矩形线圈的底端穿过通孔设置在励磁线圈之间；矩形线圈和励磁线圈分别通过电流传感器和电压传感器与可调电源电连接，且电流传感器、电压传感器、力传感器和角度传感器均与终端电连接。
10.进一步地，转盘与底座之间设置有转轴，转轴顶端与转盘固定连接，底端与底座旋转连接，角度传感器固定设置在转轴上；转轴通过驱动组件驱动转动，驱动组件包括固定套设在转轴上的涡轮、与涡轮相互配合的蜗杆和驱动蜗杆转动的电机，电机固定在底座上。
11.进一步地，支撑架包括竖直向上固定设置在底座上的一对竖向支撑杆和固定设置在一对竖向支撑杆之间的横向连接杆，力传感器滑动设置在横向连接杆上。
12.进一步地，转盘与励磁组件之间还设置有支撑板，支撑板与转盘固定连接，顶撑杆的底端依次贯穿u型座和支撑板并与转盘固定连接。
13.进一步地，底座的底端固定设置有至少两块两块支撑块。
14.进一步地，还包括阻隔块，且两块u型座u型凹槽的两侧均设置有阻隔块。
15.进一步地，顶撑杆设置有四根，且分别设置在刻度板的四个角落处。
16.与现有技术相比本实用新型有以下特点和有益效果：
17.通过设置励磁线圈并外接可调电源产生磁场，可以非常方便地调节磁场的大小，进而便于研究安培力与磁场大小的关系；力传感器下端的挂钩竖直向下设置，同时在挂钩上设置竖直向下的矩形线圈，将安培力转化为竖直向下的力，便于定量测量，避免了其他力的干扰，同时矩形线圈两侧边的力由于电流方向相反，力相互抵消，进一步消除了其他力的干扰；通过设置力传感器、角度传感器、电压传感器和电流传感器，同时这些传感器与终端电连接，随时检测并上传相应物理量到终端，便于定量进行测量并进行计算进而绘制出相应的曲线，可以让学生直观地感受到安培力与电流、磁场大小和有效长度之间的关系；通过设置驱动组件，可以非常方便省力地转动转盘，同时也能够让转盘匀速转动，有效长度随着角度的均匀变化，避免转盘转动速度不一致造成的干扰；通过设置支撑块，防止底座与支撑面紧密贴合，方便搬运整个装置；通过设置阻隔块，挡住矩形线圈受力部分，防止其他因素干扰，尽量让实验的结果真实可靠。
附图说明
18.图1是本实用新型的整体结构示意图；
19.图2是本实用新型的正视图；
20.图3是图2的a处的局部放大图。
21.其中附图标记为：1、底座；101、支撑块；2、转轴；3、转盘；4、支撑板；5、励磁组件；51、u型座；52、励磁线圈；53、阻隔块；6、刻度板；61、通孔；62、角度标识；63、顶撑杆；7、支撑架；71、竖向支撑杆；72、横向连接杆；8、力传感器；81、挂钩；9、矩形线圈；10、电流传感器；11、电压传感器；12、可调电源；13、角度传感器；14、驱动组件；141、电机；142、蜗杆；143、涡轮。
具体实施方式
22.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。
23.如图1至3所示，本实施例的安培力定量演示器，包括从下至上依次设置的底座1、转盘3、励磁组件5和刻度板6，还包括力传感器8、电流传感器10、电压传感器11、支撑架7、可调电源12和用于检测转盘3旋转角度的角度传感器13，转盘3与底座1旋转连接；励磁组件5包括u型座51和励磁线圈52，u型座51设置有两个且u型座51的u型凹槽沿水平方向相对设置，励磁线圈52设置有两个，且分别设置在两个u型座51的u型凹槽内，刻度板6与u型座51之间固定设置有顶撑杆63，且顶撑杆63的底端贯穿u型座51与转盘3固定连接，刻度板6上设置有竖直方向上的通孔61，刻度板6上端面还设置有以通孔61的圆心轴线为旋转轴旋转阵列设置的一圈角度标识62；力传感器8滑动设置在支撑架7上，且力传感器8的底端设置有竖直向下的挂钩81，挂钩81上固定设置有竖直向下的矩形线圈9，且矩形线圈9的底端穿过通孔61设置在励磁线圈52之间；矩形线圈9和励磁线圈52分别通过电流传感器10和电压传感器11与可调电源12电连接，且电流传感器10、电压传感器11、力传感器8和角度传感器13均与终端电连接。
24.进一步地，转盘3与底座1之间设置有转轴2，转轴2顶端与转盘3固定连接，底端与底座1旋转连接，角度传感器13固定设置在转轴2上；转轴2通过驱动组件14驱动转动，驱动组件14包括固定套设在转轴2上的涡轮143、与涡轮143相互配合的蜗杆142和驱动蜗杆142转动的电机141，电机141固定在底座1上。
25.进一步地，支撑架7包括竖直向上固定设置在底座1上的一对竖向支撑杆71和固定设置在一对竖向支撑杆71之间的横向连接杆72，力传感器8滑动设置在横向连接杆72上。
26.进一步地，转盘3与励磁组件5之间还设置有支撑板4，支撑板4与转盘3固定连接，顶撑杆63的底端依次贯穿u型座51和支撑板4并与转盘3固定连接。
27.进一步地，底座1的底端固定设置有至少两块两块支撑块101。
28.进一步地，还包括阻隔块53，且两块u型座51u型凹槽的两侧均设置有阻隔块53。
29.进一步地，顶撑杆63设置有四根，且分别设置在刻度板6的四个角落处。
30.本实用新型的工作原理：
31.实验一
32.保持l与i不变，分析f与b：首先保证磁感线垂直穿过矩形线圈9的底端，然后让矩形线圈9通电，通电的矩形线圈9的底端在磁场中受到向下的安培力，力传感器8将检测到力的数据上传到终端并记录，通过可调电源12逐渐增大励磁线圈52的电压，即可得到逐渐增大的磁场，终端不断接收到来着力传感器8的数据，再根据电流传感器10和电压传感器11的数据，即可绘制f与b的曲线。
33.实验二
34.保持b与l不变，分析f与i的关系：首先保证磁感线垂直穿过矩形线圈9的底端，然后让矩形线圈9通电，通电的矩形线圈9的底端在磁场中受到向下的安培力，力传感器8将检测到力的数据上传到终端并记录；通过可调电源12逐渐增大矩形线圈9的电流，同时电流传感器10不断上传电流的大小到终端，然后终端根据力传感器8和电压传感器11的数据，即可绘制f与i的曲线。
35.实验三
36.保持b与i不变，分析f与l的关系，首先保证可调电源12的输出值保持恒定大小，即保证磁场和通过矩形线圈9的电流大小保持不变，并使矩形线圈9的底端的初始状态为与磁感线垂直，然后启动电机141带动蜗杆143转动，进一步带动涡轮142转动，即转盘3开始转动，矩形线圈9在磁场中的有效长度发生变化，观察刻度板6上的角度标识62，当转过一定角度(如90度、180度等)时关闭电机141控制转盘3停止转动；转动过程中，角度传感器13不断将转盘3转过的角度上传到终端，终端根据接收到的角度计算矩形线圈9的有效长度，然后根据力传感器8、电流传感器10和电压传感器11的数据，即可绘制f与l的曲线。
37.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。