专利名称：多功能电磁炮演示仪的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种物理教学中的演示仪器，尤其涉及一种多功能电磁炮演示仪。
背景技术：
目前，应用于物理教学中的电磁炮演示仪器通常功能较为单一，操作不便，演示效果 很不尽人意。
专利号是200520069511.5,其申请日为2005.03.07的中国实用新型专利中公开了 一种电磁炮，由炮管、电容和直流电源构成；炮管为实心棒，炮口带有凹口，管体外缠绕 线圈，线圏的两端分别接电容的正负极，之间设置放电开关按钮；电容接直流电源，之间 串连设置充电开关按钮和限流电阻。该演示仪器演示功能单一的电磁现象，只能演示通电 线圈的磁场与永礒铁磁场的相互作用，功能较为单一。
专利号是00248179.0,其申请日是2000.08.19的中国实用新型专利中公开了一种 能定量显示磁场对电流作用的安培力演示器，它是由固定在平衡板上带有中心抽头和转换 开关的通电线圈的一边在可转动的U型磁体中受到的安培力与另一侧弹簧的拉力产生一对 平衡力矩，而且还要将安培力放大，弹簧的另一端通过圆轮将弹簧微小的直线伸长量转换 为指针的角度变化量，将力再次放大显示在刻度板上。本实用新型虽然可演示说明安培力 大小与磁感强度、电流强度、导体长度、磁场方向与电流方向夹角的正弦成正比关系等多 种物理现象，但该仪器安培力的演示效果很不明显，而采用了放大措施，由于所设计的放 大装置结构复杂，并将显示安培力的大小转换成了指针的角度变化量，这对教学来说，演 示效果较差、并且不能非常直观的、形象地观察到安培力大小的变化，因此，该仪器演示 内容单一，而且只能间接、不能直接地进行演示，演示安培力效果也很不明显。
综上所述，目前，在物理教学上急需开发出一种具有多种功能、结构巧妙、布局合理、 操作简便、安全可靠、并能形象、精彩、直观、效果明显地演示出物理教学中的有关电磁 学物理现象的演示仪器。
实用新型内容
针对上述现有技术演示仪器所存在的功能单一，结构复杂，显示效果不佳的技术问题， 本实用新型提供了一种多功能电磁炮演示仪，可以在同一台演示仪器上形象、直观、精彩、 效果明显地演示出多种物理教学中的电磁学现象。
为了解决上述技术问题，本实用新型多功能电磁炮演示仪予以实现的技术方案是包 括交流电源、储能电容和负载； 一个电容充电储能回路所述电容充电储能回路包括与交
流电源依次连接的指示灯、整流电桥、储能电容，所述整流电桥的正极与负极之间依次连 接有第一常开触点开关和储能电容； 一个电容放电回路包括一晶闸管，所述晶闸管的输
入端连接到上述第一常开触点开关与储能电容连接的节点处，所述晶闸管的输出端通过旋
钮开关分别连接多个负载，所述多个负载的另一端与所述整流电桥的负极连接； 一个晶闸 管的触发电路从所述晶闸管的触发极通过电池和第二常开触点开关连接到所述晶闸管的 输出端； 一个控制器，用来控制所述储能电容是否通过负载放电；电源与所述控制器之间 设置有一对接线端子。
本实用新型多功能电磁炮演示仪，其中，所述负载分别为吊在支架上并用托盘支撑 的塔形线圈，"跳环"线圏、磁场中的导线和缠绕在炮筒上的炮管线圏，所述炮筒上设置有 多个定位炮弹的定位销，所述炮管线圈由线圈抽头决定其匝数，所述炮筒可以由一个可改 变角度的炮简支架支撑，用以改变炮弹的发射角。
本实用新型多功能电磁炮演示仪，其中，所述控制器包括常开/常闭三触点、控制开关 和第一电磁控制线豳；其中， 一个常闭触点与所述一个接线端子连接，另一个常闭触点与 电源连接，所述控制开关分别与第一电磁控制线圈和电源连接。
与现有技术相比，本实用新型多功能电磁炮所具有的有益效果是
(1) 由于本实用新型多功能电磁炮演示仪的结构采用了高容量大电容、能通大电流 的晶闸管，以保证仪器具有脉冲大电流和仪器具有长寿命；在电磁炮炮筒上设计了带有多 个抽头的不同匝数的电磁线圈和多个定位炮弹的定位孔(以演示线圈匝数、炮弹位置与射 程的关系)、设计了可使炮筒改变炮弹发射角的支架〔以演示发射角度与射程的关系)、设 计了结构巧妙、布局合理、并能演示安培力、猛然跳起的"跳环"、通电塔形线圈猛然收 縮的T型支架、Y型支架(以保证演示效果的明显性、精彩性)，另外，为了获得课堂授 课效果，还特别设计了操作简便、安全可靠的超声遥控器，以增加授课的科学性、实用性、 精彩性和学生的参与性，这对研究型教学、研究型学习、观摩型教学非常有利。
(2) 利用本实用新型多功能电磁炮演示仪可方便地演示多种物理现象，诸如线圈 电磁炮原理；斜抛体射程与发射角关系；炮弹在线圈中位置与射程的关系线園匝数与炮 弹射程关系；弹体类型(如管形弹体、钢珠弹体等)与射程关系；炮打落猴演示；安培力
演示(左手定则)猛然跳起的"跳环"、通电线圈的猛然收縮(通电导线间有电磁力相 互作用的演示)；电容器的储能与放电等演示内容。
(3) 由于本实用新型具有遥控功能，演示中的"炮弹"射程可达10-15米，"落猴" 的高度可达2米。
图1是本实用新型多功能电磁炮演示仪的电路原理图； 图2是本实用新型演示仪中的激光瞄准电路。 下面是本实用新型中说明书附图中主要附图标记的说明-Bd、 K2——常开触点开关 K5——旋钮开关
K3——控制开关 A——晶闸管
U、 L2、 L3——电磁控制线圈 B4——塔形线圏负载 D~—整流电桥
K4——控制器
C——储能电容
B,、 B2、 B3——炮管线圈负载
B5——"跳环"线圏负载
B6——磁场中的导线负载
具体实施方式
下面结合附圉对本实用新型作进一步详细地描述。
如图l所示，本实用新型多功能电磁炮演示仪的结构为包括①一个电容充电储能回 路包括与交流电源依次连接的指示灯、整流电桥D和储能电容器C，所述整流电桥D的
正极与负极之间依次连接有第一常开触点开关K,和储能电容C，所述储能电容为 1000-10000 u/，工作电压220V到IOOOV。②一个电容放电回路包括一晶闸管A，所述 晶闸管A的输入端连接到上述第一常开触点开关与储能电容C相连的节点处，所述晶 闸管A的输出端通过旋钮开关Ks分别连接多个负载，所述多个负载的另一端与所述整流 电桥D的负极连接。③一个晶闸管A的触发电路从所述晶闸管A的触发极通过电池和 第二常开触点开关K2连接到所述晶闸管A的输出端； —个控制器K4，用来控制所述储 能电容C是否通过负载放电；电源与所述控制器K4之间设置有一对接线端子。
为了演示，本实用新型演示仪器可以与现有技术中所使用的演示仪器一样，将操作旋
钮、支撑炮筒的炮架、充电指示灯等设置在工作台上，将"落猴"、塔形线圈等设置在一 个支據架上，所述支撑架可以是Y形支架或T形支架。所述负载分别为①吊在支架上并 用托盘支撑的塔形线圈B4;②"跳环"线圈B5;③磁场中的导线B6;④缠绕在炮筒上的 炮管线圈B^ B2、 B3。所述炮管末端上设置有多个定位炮弹的定位销，所述炮管线讕匝数， 由所述线圈抽头决定，其匝数分为200匝线圏B卜300匝线圈B2、 400匝线圑B3。所述 炮管由PVC管制做，它由一个可改变角度的炮筒支架支撑，用以改变炮弹的发射角。
所述控制器K4包括常开/常闭三触点1、 2、 3、控制开关K3和第一电磁控制线颺Ln 其中， 一个常闭触点2与所述一个接线端子连接，另一个常闭触点1与电源连接，所述控 制开关K3分别与第一电磁控制线圈1^和电源连接。
所述控制器K4可以是超声遥控器、光控遥控器和微波控制遥控器；以超声遥控器为例 进一步描述该控制器的结构和工作原理它由超声发生器、超声接收器、超声遥控电路和 控制回路组成；如图1所示，所述控制回路包括常开/常闭三触点1、 2、 3、声控开关K3 和第一电磁控制线圈Lp即由交流电源一端、声控开关K3、第一电磁控制线圈L,至交 流电源另一端形成回路，从而控制三触点1、 2、 3的动作由常闭两触点1、 2接通状态 转到常闭两触点l、 2断开，同时，常闭触点1和常开触点3接通，第三电磁控制线圈L3 通电(工作)，使晶闸管触发电路中的第二常开触点开关K2接通工作，从而晶闸管A的触 发电路工作，使晶闸管A导通，储能电容C通过晶闸管A向由旋钮开关K5所接通的负载 放电，实现演示内容。所述靶猴超声遥控电路由依次连接的交流电源的一端、 一对端子(其
一个端子连接第二电磁控制线圈L2和电源，另一个端子连接超声遥控器K4中的一个常闭
触点2)、第二电磁控制线圈L2、常闭触点l、 2，再接至交流电源另一端，从而用于遥控 耙猴的下落。
同理，若上述控制器采用光控遥控器或微波控制遥控器，则将上述的发生器和接收器
和控制开关选用相应形式的器件替换即可。例如所述控制开关为光控开关，由红外光、
可见光或激光控制开关。
实施例1:"炮打落猴"现象的演示
本实施例中的控制器采用超声遥控器。如图1所示，仪器接通电源后，通过旋钮开关
Ks确定演示项目，例如旋钮Ks转向1即接通负载B,，表示选择200匝的炮管线圈档来 演示炮打落猴，与此同时，将第二电磁控制线圈L2接插到两个端子上，其操作和工作过程 是按下第一常开触点开关K,，电源通过整流电桥D、灯泡给储能电容C充电(所述储能
电容C为1000~10000"/，工作电压为220V到1000V),指示灯泡亮后并逐渐暗下来，直 至灯泡熄灭，表示储能电容C已充满电能；然后，抬起手使常开触点开关K！断开(为了 在工作结束时，停止对储能电容C的充电，因此该开关选择常开触点开关，这是安全措施 之一)，终止储能电容C的充电。同事，第二电磁控制线圈L2得电而吸住靶猴，然后，将 炮弹放在缠绕有线圈的炮管内的适当位置(在炮管末端设置有用来确定炮弹位置的定位 销)，按动如图2所示的激光瞄准电路中的常开触点开关，使激光束瞄准靶猴，释放常开 触点开关后，按动超声遥控开关K3，第一电磁控制线圈L,通电，超声遥控器K4的1、 3
触点导通，第三电磁控制线圈L3得电导通，使得晶闸管触发电路中的常开触点开关K2接
通，进而使晶闸管触发电路工作,使储能电容C中电能通过晶闸管A和200匝炮弹线圈(负 载B,)放电，产生脉冲强磁场，使铁磁质炮弹迅速磁化，并对其产生极强的瞬间吸引力， 使炮弹射出，同时，超声遥控器K4的1、 2触点断开，靶猴自由下落(弹出猴落)，炮弹在 炮口前方空中击中靶猴。最后，操作超声遥控开关K3，使本实用新型演示仪器恢复初时状 态(安全状态)，至此，结束该项目的演示。同理，当旋钮K5转到300匝或400匝档时， 重复上述动作，仍可演示炮打落猴，还演示了炮弹线圈匝数与炮弹射程的关系。
利用本实用新型进行上述"炮打落猴"演示，准确率很高。通过该项目演示充分验证 了抛体运动是水平运动和自由落体运动的合成，也说明抛体运动矢量方程的正确性。当设 定同一匝数的线圏(如200匝)，把炮弹放在炮筒中不同位置时(可以通过设置在炮筒上 的定位销来控制)，可演示炮弹放置位置与炮弹射程的关系。在上述演示的过程中，若采 用不同材质和形状的炮弹，如釆用管形弹体、钢珠形弹体或永磁铁弹体等，即可演示出不 同弹体与射程关系。另外，通过调整炮筒支架角度，还可演示炮弹不同发射角与射程的关 系。
实施例2:"安培力"的演示。
如图l所示，仪器接通电源后，通过旋钮开关K5确定"安培力"演示项目，旋钮Ks 转向5,既接通磁场中的导线B5，既选择安培力演示项目档(此时两个接线端子上不要接 插落猴的电磁控制线圈L,)。操作和工作过程是储能电容C的充电储能过程，同实施例l中描述相同，在此不再赘述。按动超声遥控开关K3，使电磁控制线圈L2通电，使超声遥
控器K4的1、 3触点导通，电磁控制线圏L3得电导通，晶闸管触发电路中常开触点开关 K2接通，使晶闸管触发电路工作，即储能电容C中电能通过晶闸管A和磁场中的导线B5， 由此，磁场中的导线B5产生瞬间较大的安培力，验证了电磁学中的左手定则。由于本演示 中安培力较大，因此导线Bs荡起的角度远远大于90度，效果极为明显，十分精彩。 实施例3:通电塔形线圈的收縮演示
如图l所示，仪器接通电源后，通过旋钮开关Ks确定该演示项目，旋钮Ks转向4,
既接通塔形线圃B4 (此时两个接线端子上不要再接插落猴电磁控制线圏L2),此时，将塔
形线圈B4放到自由伸张状态。操作和工作过程是储能电容C的充电储能过程，同实施 例1中描述相同，在此不再赘述。按动超声遥控开关K3，使第一电磁控制线圈I^通电， 使超声遥控器K4的1、 3触点导通，电磁控制线圈L3得电导通，晶闸管触发电路中的常开 触点开关K2接通，使晶闸管触发电路工作，使储能电容器C中电能通过晶闸管A和塔形 线圈B4，此时表现为使塔形线圈B4猛然收缩，验证了通电导线间确有电磁力在相互作用。 实施例4:"跳环"演示
如图l所示，仪器接通电源后，通过旋钮开关K5确定该演示项目，旋钮Ks转向5， 既接通"跳环"线圈B5 (此时两个接线端子上不要再接插落猴电磁控制线圈L2)，操作和
工作过程是储能电容C的充电储能过程，同实施例l中描述相同，在此不再赘述。按动
超声遥控开关K3，使第一电磁控制线圈L,通电，使超声遥控器K4的1、 3触点导通，电 磁控制线圈L3得电导通，晶闸管触发电路中的常开触点开关K2接通，使晶闸管触发电路 工作，使储能电容器C中电能通过晶闸管A和"跳环"线圈Bs,此时表现为使线圏Bs外 的轻紫铜环猛然跳起，验证了法拉第电磁感应定侓、验证了楞次定侓、验证了涡电流的存 在，并验证了涡电流的磁效应和力效应。
另外，在使用本实用新型多功能电磁炮演示仪过程中，不要随意拆动通电器件，选择 演示项目后再进行演示。当选择演示电磁炮(即前面所说的"炮打落猴"演示)时，人不 要站在炮管前。遥控发射子弹后，需要再按一次遥控开关K3，使演示仪恢复初始状态，以 便再次充电发射。 一旦因为拆动了器件，而又使电容充了电，此时应把旋钮Ks转到l,接 向200匝项目挡位置，再次按动遥控器，则电容器中电能量可通过炮管线圈泄放掉，以保 证安全，并可使仪器恢复初始状态。
尽管结合附图对本实用新型进行了上述描述，但是本实用新型并不局限于上述的具体 实施方式，上述的具体实施方式
仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人 员在本实用新型的启示下，在不脱离本实用新型宗旨和权利要求所保护范围的情况下，还 可以做出很多变形，这些均属于本实用新型的保护之列。
权利要求1.一种多功能电磁炮演示仪，包括交流电源、储能电容和负载；其特征在于一个电容充电储能回路所述电容充电储能回路包括与交流电源依次连接的指示灯和整流电桥，所述整流电桥的正极与负极之间依次连接有第一常开触点开关和储能电容；一个电容放电回路包括一晶闸管，所述晶闸管的输入端连接到上述第一常开触点开关与储能电容的节点处，所述晶闸管的输出端通过旋钮开关分别连接多个负载，所述多个负载的另一端与所述整流电桥的负极连接；一个晶闸管的触发电路从所述晶闸管的触发极通过电池和第二常开触点开关连接到所述晶闸管的输出端；一个控制器，用来控制所述储能电容是否通过负载放电；电源与所述控制电路器之间设置有一对接线端子，用以插接第二电磁控制线圈。
2. 根据权利要求1所述多功能电磁炮演示仪，其特征在于所述负载分别为磁场中 的导线、吊在支架上并用托盘支撑的塔形线圈、"跳环"线圈和缠绕在炮筒上的炮管线圈， 所述炮筒上设置有多个定位炮弹的定位销，所述炮管线圈匝数由所述炮管线圈抽头决定， 所述炮筒可以由一个可改变角度的炮筒支架支撑，用以改变炮弹的发射角。
3. 根据权利要求1所述多功能电磁炮演示仪，其特征在于所述控制器包括常开/常 闭三触点、控制开关和第一电磁控制线圈；其中， 一个常闭触点与所述一个接线端子连接， 另一个常闭触点与电源连接，所述控制开关分别与第一电磁控制线圈和电源连接。
4. 根据权利要求1所述多功能电磁炮演示仪，其特征在于所述控制器为超声遥控器， 由超声发生器、超声接收器、超声遥控电路和控制回路组成；所述控制回路包括常开/常闭三触点、声控开关和第一电磁控制线圈，从而控制三触点 的动作；当声控开关接通时，第一电磁控制线圈得电接通，则第一常闭触点和常开触点接 通，第三电磁控制线圈与电源接通工作，则晶闸管触发电路中的第二常开触点开关接通， 使晶闸管的触发电路工作，晶闸管导通，储能电容通过晶闸管向所接通的负载放电，从而 进行各种物理现象的演示；所述靶猴超声遥控电路由依次连接的电源一端、第二电磁控制线圈，超声遥控器中的 第二常闭触点、第一常闭触点，再接至电源的另一端，从而用于遥控靶猴的下落；所述超 声遥控器中的常开触点通过第三电磁控制线圈与电源连接，从而用于遥控晶闸管的触发， 实现向负载放电。
5. 根据权利要求1所述多功能电磁炮演示仪，其特征在于所述控制器为光控遥控 器，由光发生器、光接收器、光控开关、光遥控电路和控制回路组成。
6. 根据权利要求5所述多功能电磁炮演示仪，其特征在于所述光控开关，为红外 光、可见光或激光控制开关。
7. 根据权利要求1所述多功能电磁炮演示仪，其特征在于所述控制器为微波控制 遥控器，由微波发生器、微波接收器、微波遥控开关、微波遥控电路和控制回路组成。
8. 根据权利要求3所述多功能电磁炮演示仪，其特征在于所述控制开关为机械控 制开关。
9. 根据权利要求1所述多功能电磁炮演示仪，其特征在于 一个激光瞄准电路包 括由直流电源、激光器和常开触点开关构成的回路。
10. 根据权利要求9所述多功能电磁炮演示仪，其特征在于所述激光器为笔形激光器。
专利摘要本实用新型公开了一种用于演示多种物理教学中的电磁学现象的多功能电磁炮演示仪，包括一个电容充电储能回路电容充电储能回路包括与交流电源依次连接的指示灯、整流电桥、储能电容，整流电桥的正极与负极之间依次连接有第一常开触点开关和储能电容；一个电容放电回路包括一晶闸管，晶闸管的输入端连接到上述第一常开触点开关与储能电容连接的节点处，晶闸管的输出端通过旋钮开关分别连接多个负载，多个负载的另一端与整流电桥的负极连接；一个晶闸管的触发电路从晶闸管的触发极通过电池和第二常开触点开关连接到晶闸管的输出端；一个控制器，用来控制储能电容是否通过负载放电；电源与控制器之间设置有一对接线端子。
文档编号G09B23/00GK201066545SQ20072009648
公开日2008年5月28日 申请日期2007年6月22日 优先权日2007年6月22日
发明者王克起 申请人:王克起