一种基于扭秤的安培力演示装置的制作方法

本实用新型涉及安培力现象的物理实验教学演示装置技术领域，具体涉及一种基于扭秤的安培力演示装置。

背景技术：

目前，传统的简易安培力演示装置由一个u型磁铁、两根直导轨、闸刀开关、铜棒和稳压电源构成。通常先将两根直导轨平行放置，再将铜棒放到两导轨上，两导轨中间存在由u型磁铁提供的垂直于平面的磁场。闭合开关后铜棒通电，在安培力的作用下铜棒在磁场中沿直导轨运动。实验中，可以通过改变铜棒长度、磁场大小、电流大小来探究安培力f与电流i、磁场强度b、铜棒长度l的关系。

但传统的安培力演示装置存在如下缺点：一、需要用到体积较大、重量较重的稳压电源，不方便教师携带和进行课堂演示；二、由于铜棒质量较大惯性大，与导轨间的摩擦力也较大，需要很大电流产生的安培力才足以使铜棒移动；三、在实验时稍不注意就容易将稳压电源烧毁，所以在教学中通常由有经验的老师操作，同学们只能观看而不能动手实践，实验的互动性不强；四、在实验过程中只能简单地观察到铜棒运动，铜棒在导轨上的运动位移不能精确记录，导致电能转换为动能的物理过程不能清晰地展示出来；五、传统装置对电流和磁场强度变化的灵敏度不高。

技术实现要素：

本实用新型针对现有的安培力演示装置的缺陷，提出一种有关安培力现象的物理实验教学演示装置。

本实用新型的技术方案为：一种基于扭秤的安培力演示装置，包括碱性电池组、开关、毫安表、滑动变阻器，还包括支架、横杆、扭秤支架、悬丝、悬臂、半导体激光器、针孔滤波器、光屏，所述支架顶部固定连接横杆，所述横杆设置若干限位孔，所述限位孔内插入受力导线；所述扭秤支架顶部设置悬丝，所述悬丝底部连接悬臂，所述悬臂中心处设置反射镜、水平仪，所述悬臂两端设置平衡螺母，所述悬臂两端底部可拆卸连接磁铁；所述扭秤支架两侧设置半导体激光器、针孔滤波器和光屏，所述光屏设置刻度；所述碱性电池组、开关、毫安表、滑动变阻器、受力导线之间电气连接。

优选的，所述悬丝采用线径为0.02mm的高纯钨丝制作。

优选的，所述扭秤支架一侧设置制动刷，所述制动刷采用玻璃纤维丝制作。

优选的，所述针孔滤波器孔径为0.1mm。

优选的，所述横杆、悬臂采用质量较轻的木材制作。

优选的，所述磁铁采用表面剩磁强度为5000高斯的钕铁硼磁钢。

优选的，所述滑动变阻器的阻值为1000ω。

优选的，所述毫安表的量程为15ma。

本实用新型所要解决的技术问题是：提供一种基于扭秤的安培力演示装置，只需要普通的碱性电池作为电源，安全便捷，方便教师携带和进行课堂演示；只需要极小的电流产生的安培力即可完成安培力现象的演示；克服了传统安培力演示实验中容易烧毁稳压电源的问题，同时解决了传统安培力演示实验中只能由有经验的老师操作，同学们只能观看，不能动手实践，实验的互动性不强的问题；解决了传统实验过程中，只能简单地观察到铜棒运动，铜棒在导轨上的运动位移不能精确记录，导致电能转换为动能的物理过程不能清晰地展示出来的问题；解决了传统实验装置对电流和磁场强度变化的灵敏度不高的问题。

本实用新型的有益效果：一种基于扭秤的安培力演示装置，根据力的作用的相互性，实验中受力导线受到安培力，磁铁受到安培力的反作用力，固定受力导线，则安培力的反作用力使磁铁运动，即可观察安培力现象；而传统安培力实验是固定磁体，使通电导体运动，实验装置的灵敏度低，安培力的改变量难以观察到，影响安培力的因素没有完全展示出来，相较于传统安培力实验而言，该装置实验现象更直观、实验内容更丰富；应用光学放大方法，通过光的反射来展现扭转角度的微小变化，将扭秤微小的转动角度放大为光点在光屏上的位移，直观地实现了安培力改变量的测量；可以通过改变对安培力大小有影响的物理量来观测安培力的变化；安全可靠，拆装方便，安装使用便捷，可以让学生在课堂上亲自动手操作，互动性强，整备质量轻，方便教师携带。

附图说明

图1为本实用新型结构示意图；

图2为本实用新型结构示意图；

图3为本实用新型主视图；

图4为本实用新型左视图；

图5为本实用新型俯视图；

图6为本实用新型使用状态参考图；

图中，1-支架，2-横杆，201-限位孔，202-受力导线，3-扭秤支架，301-制动刷，4-悬丝，5-悬臂，501-反射镜，502-水平仪，503-平衡螺母，504-磁铁，6-半导体激光器，7-针孔滤波器，8-光屏，9-碱性电池组，10-开关，11-毫安表，12-滑动变阻器。

具体实施方式

本实用新型的具体实施方式为：如图1、图2、图3、图4、图5所示，一种基于扭秤的安培力演示装置，包括碱性电池组9、开关10、毫安表11、滑动变阻器12，还包括支架1、横杆2、扭秤支架3、悬丝4、悬臂5、半导体激光器6、针孔滤波器7、光屏8，所述支架1顶部固定连接横杆2，所述横杆2设置若干限位孔201，所述限位孔201内插入受力导线202；所述扭秤支架3顶部设置悬丝4，所述悬丝4底部连接悬臂5，所述悬臂5中心处设置反射镜501、水平仪502，所述悬臂5两端设置平衡螺母503，所述悬臂5两端底部可拆卸连接磁铁504；所述扭秤支架3两侧设置半导体激光器6、针孔滤波器7和光屏8；所述碱性电池组9、开关10、毫安表11、滑动变阻器12、受力导线202之间电气连接。

本实用新型的原理：限位孔201内可插入不同长度l的受力导线202，碱性电池组9、开关10、毫安表11、滑动变阻器12、受力导线202之间电气连接；闭合开关前，滑动变阻器12调到最大值、半导体激光器6、针孔滤波器7和光屏8保持同一高度，闭合开关后，电流从碱性电池组9的正极流出，经过毫安表11之后又经过滑动变阻器12的上接线柱，从下接线柱流出，分别流向左右两边的两根受力导线202，最后分别回到碱性电池组9负极。受力导线202在磁场中受到安培力作用，但因为受力导线202固定在横杆2上，故受力导线202运动状态不改变，保持静止。根据力的作用的相互性，此时磁铁504受到安培力的反作用力而带动悬臂5转动，同时悬丝4被扭曲后产生扭力，扭力与安培力的反作用力平衡时，悬臂5停止转动；该过程中，激光光点由静止开始在光屏8上水平移动一段位移后再次静止；该装置基于扭秤结构对微小作用力的高灵敏度响应，通过扭秤的扭转现象展示安培力，可以让学生直观地观察到电流i、磁场强度b、通电导体受力长度l这三个物理量的变化对安培力f的影响。

通过调整滑动变阻器12的阻值改变电流i，通过改变悬臂5与横杆2的垂直距离改变磁场强度b，通过改变受力导线202穿过的限位孔201来改变受力导线202在磁场中的受力长度l，分别设置多组实验。

所述光屏8设置刻度，便于指示和测量光点的移动。观察不同情况下光点移动的位移，该位移即光点在光屏8上移动的刻度，从而定性比较电流i，磁场强度b，导体受力长度l的变化对安培力f影响。

水平仪502和平衡螺母503，便于调节悬臂5，使悬臂5水平，避免因悬臂5不水平对实验造成影响。

采用两节电压为1.5v的普通碱性电池串联作为碱性电池组9供电，电路的电流较小，碱性电池组9使用安全且方便携带。

具体的，如图1、图2、图3所示，所述悬丝4采用线径为0.02mm的高纯钨丝制作。所述线径0.02mm的高纯钨丝，力学性能优异，灵敏度高，便于观察扭转现象。

具体的，如图1、图2所示，所述扭秤支架3一侧设置制动刷301，所述制动刷301采用玻璃纤维丝制作。所述玻璃纤维丝作为制动刷301，使悬臂尽快停止摆动。

具体的，如图1、图2、图3、图4、图5所示，所述针孔滤波器7孔径为0.1mm。采用孔径为0.1mm的针孔滤波器7控制光斑质量和激光亮度，保证实验的准确性、安全性。

具体的，如图1、图2、图5所示，所述横杆2、悬臂5采用质量较轻的木材制作。所述横杆2、悬臂5采用质量较轻的木材制作，对磁铁504的静磁场无影响，且可以减轻结构重量。

具体的，如图1、图2、图3所示，所述磁铁504采用表面剩磁强度为5000高斯的钕铁硼磁钢。该钕铁硼磁钢的磁化方向垂直于磁钢轴线，即实验中的磁场强度的方向垂直于磁钢的轴线。

具体的，如图1、图2所示，所述滑动变阻器12的阻值为1000ω。

具体的，所述毫安表11的量程为15ma。由于采用1.5v的普通碱性电池串联作为碱性电池组9供电，电路的电流较小，只需要毫安表11即可测量电流。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征和本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。