法拉第电磁感应定律定量演示器的制作方法

本实用新型涉及教学实验仪器领域，尤其是一种法拉第电磁感应定律定量演示器。

背景技术：

电磁感应定律也叫法拉第电磁感应定律，电磁感应现象是指因磁通量变化产生感应电动势的现象，例如，闭合电路的一部分导体在磁场里做切割磁感线的运动时，导体中就会产生电流，产生的电流称为感应电流，产生的电动势称为感应电动势。

“法拉第电磁感应定律”作为实验定律人教版教材中是通过定性分析电磁感应的相关实验，直接给出的，缺乏定量实验。随着教育技术的发展和教师创新能力的提高，很多老师研究实践定量探究的实验方法。但往往实验原理复杂，且数据的采集和显示依赖DIS系统和计算机，这并不利于实验方法在经济较落后的地区普及。

技术实现要素：

本实用新型旨在提供一种能够方便快捷的进行法拉第电磁感应定律的定量实验的法拉第电磁感应定律定量演示器。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：法拉第电磁感应定律定量演示器，包括绝缘升降管、强磁铁、测量线圈和感应电势测量板，所述绝缘升降管上套有测量线圈，测量线圈包括缠绕于绝缘管上的线圈，绝缘管的上下两端设置安装圆盘，安装圆盘的中心设有直径与绝缘管内径相同的通孔；绝缘管与绝缘升降管之间设有橡胶圈；安装圆盘的一侧固定连接感应电势测量板，感应电势测量板包括板体，所述板体上设有数字式电压表、电源、二极管、电源开关、电容器和电容器复位开关，其中线圈、二极管、电容器依次串联，电容器、电容器复位开关和数字式电压表相互并联，电压表通过电源开关连接电源；绝缘升降管的内部设有强磁铁，强磁铁的顶端中心固定连接拉绳。

作为本实用新型的进一步方案：所述绝缘升降管为有机玻璃管。

作为本实用新型的进一步方案：所述绝缘升降管的表面设有刻度线。

作为本实用新型的进一步方案：所述测量线圈设有一个或两个或多个。

作为本实用新型的进一步方案：所述橡胶圈位于绝缘管的底部上。

作为本实用新型的进一步方案：所述强磁铁设于绝缘封装管内，绝缘封装管的上下两端设有端盖，绝缘封装管的外径与绝缘升降管的内径直径相同。

作为本实用新型的进一步方案：所述绝缘升降管内设有数个强磁铁，强磁铁与绝缘升降管固定连接，测量线圈的绝缘管与绝缘升降管之间设有间隙，测量线圈的底部安装在环形底座上，环形底座的一端通过连接杆连接滑座，滑座通过滑块安装在竖直滑轨上，并连接竖直丝杆副的丝杆螺母，竖直滑轨和竖直丝杆副均是竖直的安装在立柱上，竖直丝杆副的丝杆的底端连接丝杆驱动电机的输出轴。

作为本实用新型的进一步方案：所述测量线圈与环形底座之间可拆卸式的连接。

作为本实用新型的进一步方案：所述环形底座两侧分别通过连接杆连接一个滑座，滑座通过滑块安装在竖直滑轨上，其中一个滑座连接竖直丝杆副的丝杆螺母。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：该法拉第电磁感应定律定量演示器结构简单，成本低，不需要DIS系统和计算机的配合，利于推广普及，能够利用自由落体运动的原理实现磁铁穿过线圈的快慢来探究影响感应电动势大小的因素，进行定量演示与实验，简洁明了，值得大力推广。

附图说明

图1为实施例一中本实用新型的控制磁通量变化率Δφ/Δt不变，探究感应电动势和线圈匝数N的关系时的结构示意图；

图2为实施例一中本实用新型的控制匝数N不变，探究感应电动势和磁通量变化率Δφ/Δt的关系时的结构示意图；

图3为实施例一中本实用新型的测量线圈和感应电势测量板的结构示意图；

图4为实施例一中本实用新型的感应电势测量板的结构示意图；

图5为实施例一中本实用新型的电路连接示意图；

图6为磁通量变化率Δφ/Δt不变时感应电动势和线圈42匝数N的关系图；

图7为匝数N不变时感应电动势和磁通量变化率Δφ/Δt的关系图；

图8为实施例二中本实用新型的结构示意图；

图9为实施例三中本实用新型的结构示意图。

具体实施方式

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。

实施例一

请参阅图1-7，本实用新型实施例中，法拉第电磁感应定律定量演示器，包括绝缘升降管1、强磁铁2、测量线圈4和感应电势测量板5，所述绝缘升降管1上套有测量线圈4，测量线圈4包括缠绕于绝缘管41上的线圈42，绝缘管41的上下两端设置安装圆盘43，安装圆盘43的中心设有直径与绝缘管41内径相同的通孔；绝缘管41与绝缘升降管1之间设有橡胶圈；

安装圆盘43的一侧固定连接感应电势测量板5，感应电势测量板5包括板体51，所述板体51上设有数字式电压表52、电源53、二极管54、电源开关55、电容器56和电容器复位开关57，其中线圈42、二极管54、电容器56依次串联，电容器56、电容器复位开关57和数字式电压表52相互并联，电压表通过电源开关55连接电源53；绝缘升降管1的内部设有强磁铁2，强磁铁2的顶端中心固定连接拉绳3。利用拉绳3来方便的提升强磁铁2。

进一步，绝缘升降管1为有机玻璃管。

进一步，绝缘升降管1的表面设有刻度线。便于强磁铁2高度的读数。

进一步，测量线圈4设有一个或两个或多个。根据具体实验方式及类型选择。

进一步，橡胶圈位于绝缘管41的底部。橡胶圈套在绝缘升降管1上，承受绝缘管41以及线圈42和感应电势测量板5带来的重力，利用橡胶圈与绝缘升降管1的摩擦力进行支撑。

进一步，绝缘管41的内径大于或等于绝缘升降管1的外径。

进一步，数字式电压表52、电源开关55和电容器复位开关57均是嵌于板体51上，电源53、二极管54和电容器56均是粘贴在板体51上。

进一步，电容器56为电解电容器56(50V，11μF)，二极管54型号为IN4001、电源53由3节7号电池安装在电池盒内构成(为数字电压表供电)，电源开关55为船型开关，型号为KCD1，(电压表电源开关55)、电容器复位开关57为自复位开关，型号为LA16-11M(电容器56放电)、数字式电压表52为0.56寸大小的三线四位数字电压表；线圈42、二极管54、电容器56依次串联构成回路后再将电容器56、电容器复位开关57和数字式电压表52相互并联，再通过电源开关55将数字式电压表52与电源53连接通过电源53给数字式电压表52供电。

进一步，强磁铁2设于绝缘封装管内，绝缘封装管的上下两端设有端盖，绝缘封装管的外径与绝缘升降管1的内径直径相同。

进一步，板体51通过连接板与安装圆盘43连接，连接板与板体51胶合，连接板与安装圆盘43之间通过螺栓固定连接，连接板与安装圆盘43上开设用于固定的螺孔。

本实用新型的结构特点及其工作原理：基本原理是：强磁铁2在绝缘升降管1内做自由落体运动，穿过测量线圈4的磁通量发生变化，产生感应电动势，并在与测量线圈4相连的感应电动势测量板中显示。当线圈42中产生感应电动势时，对电容器56充电，由于二极管54的单向导电性，电容器56不能通过二极管54放电，此时并联在电容器56两端的四位数显式电压表可以测出电压的最大值，即感应电动势的最大值，电路连接如图5所示。

本实用新型的教学演示示例：

一、控制磁通量变化率Δφ/Δt不变，探究感应电动势和线圈42匝数N的关系

当磁铁从同一高度落下时，穿过相同宽度线圈42的磁通量变化相同，时间相同，Δφ/Δt就保持不变，换不同匝数的线圈42探究感应电动势和匝数N的关系。

实验过程及数据：绝缘升降管1上分别更换设置3个测量线圈4，3个测量线圈4的线圈42的匝数分别为300匝、600匝、900匝，距离强磁铁2释放点的高度为90cm(强磁铁2利用拉绳3能够较为方便的提升)。实验数据详细记录如表1，结合表1，从图6中可以看到，在Δφ/Δt保持不变的情况下，感应电动势E大小与线圈42匝数N成正比。

表1：磁通量变化率Δφ/Δt不变时感应电动势和线圈42匝数N的关系。

二、控制匝数N不变，探究感应电动势和磁通量变化率Δφ/Δt的关系

强磁铁2从绝缘升降管1中落下，先后穿过不同高度的几个匝数、高度(自身)相同的线圈42，由于线圈42的高度d相较于落体运动的高度很小，磁铁穿过线圈42的Δt极小，磁铁穿过的线圈42的速度可以用到达线圈42的瞬时速度v代替，根据自由落体运动规律v＝√2gh，当几个线圈42的高度比为1:4:9时，速度之比为1:2：3而Δt＝d/v，则通过线圈42的时间之比为3:2:1，磁通量的变化率之比为1:2:3，这样就可以探究感应电动势与磁通量变化率的关系；

实验过程及数据：线圈42匝数为900匝的三个测量线圈4，依次套在绝缘升降管1距离强磁铁2释放点的10cm，40cm，90cm处，磁铁穿过3个测量线圈4时候的磁通量变化率Δφ/Δt之比为1:2:3，结合表2从图7得，在线圈42匝数N一定的情况下，感应电动势E的大小与Δφ/Δt成正比。

表2：匝数N不变时感应电动势和磁通量变化率Δφ/Δt的关系

本教具设计巧妙，与教材中用磁铁穿过线圈42的快慢来探究“影响感应电动势大小的因素”的实验方案衔接，结合落体运动实验原理，学生一看就明白；数据准确，利用数显电压表可视性好，操作简便；与动辄上万的DIS实验套件、计算机相比，造价低廉，结构简单，易于自制和仿制。

实施例二

请参阅图8，与实施例一不同，为了进一步提高实验的精确度，本实用新型提供另一种改进结构，具体是绝缘升降管1内设有数个强磁铁2，强磁铁2与绝缘升降管1固定连接，测量线圈4的绝缘管41与绝缘升降管1之间设有间隙，测量线圈4的底部安装在环形底座6上，环形底座6的一端通过连接杆7连接滑座8，滑座8通过滑块安装在竖直滑轨9上，并连接竖直丝杆副10的丝杆螺母，竖直滑轨9和竖直丝杆副10均是竖直的安装在立柱上，竖直丝杆副10的丝杆的底端连接丝杆驱动电机的输出轴。丝杆减速电机转动带动竖直丝杆副10转动带动滑座8在竖直滑轨9上匀速运动，进而通过滑座8、连接杆7和环形底座6带动测量线圈4以及感应电势测量板5匀速上升或下降。

进一步，测量线圈4与环形底座6之间可拆卸式的连接，具体可以是测量线圈4的底部的安装圆盘43与环形底座6之间通过螺钉连接，环形底座6顶部设有与其适配的螺孔。

在本实施例中，实验方法需要适当进行改变，控制磁通量变化率Δφ/Δt不变，探究感应电动势和线圈42匝数N的关系时，同样是更换三组不同匝数线圈42的测量线圈4，然后由竖直丝杆副10带动测量线圈4定速升降，由于设计了多个强磁铁2，不需要多次测量，能得出多组实验数据。

控制匝数N不变，探究感应电动势和磁通量变化率Δφ/Δt的关系时，此时不需要更换测量线圈4，只需要由竖直丝杆副10带动测量线圈4以不同速度升降即可得出实验数据。

经过改进后利用竖直丝杆副10、滑座8、环形底座6带动测量线圈4获得稳定的升降姿态和稳定的升降速度，不会受摩擦、空气阻力等影响。

实施例三

请参阅图9，与实施例二不同的是，为了提高测量线圈4升降的稳定性，即环形底座6两侧分别通过连接杆7连接一个滑座8，滑座8通过滑块安装在竖直滑轨9上，其中一个滑座8连接竖直丝杆副10的丝杆螺母。

对于本领域技术人员而言，显然本实用新型不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本实用新型的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本实用新型。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本实用新型的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本实用新型内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。