专利名称：交流电说明器的制作方法
技术领域：
本发明属于教学仪器。
正弦交流电(简称交流电)是国内各类学校(各种中等学校、大学)的必学内容。目前各类学校在教学这部分内容时，一方面要用教具演示，另一方面还要用挂图或教师板画来说明其原理。由于挂图和板画缺乏动感且交互性、趣味性差，教学效果受到了影响。
本发明的目的就在于弥补上述挂图和板画的不足，提供动感强而且具备交互性、趣味性的说明器，生动形象、直观明了地说明交流电的原理。
本说明器是这样实现本发明目的的首先让处在匀强磁场中的矩形线圈(以下简称线圈)动起来，为此，让本说明器中表示线圈的线圈板绕中心轴转动。其次，让表示交流电按正弦规律变化的正弦曲线动起来，为此，让本说明器中表示感应电动势(或线圈和电阻组成的闭合电路中的感应电流)的大小和方向的发光二极管(以下简称二极管)沿着正弦曲线依次发光。再次在线圈板两端连上线速度箭头，在转动中形象地显示线圈的转动方向和对磁感应线斜切割或正切割的情况。还在线圈板两端开上圆孔，以表示线圈中垂直于磁场的两条边的横截面，同时在线圈转动的圆周上设有若干对内有小灯泡外有有色透明材料的隐蔽灯光孔(以下简称灯光孔)。当线圈板转到各个位置时，线圈板上的两个圆孔都正好与相应的各对灯光孔重合，在电路的控制下，相应的各对灯光孔内的小灯泡发光，在两个圆孔内形成强弱不等的和⊙状的色光，生动形象地显示出线圈在各个位置的感应电流的大小和方向。再让各个二极管与相应的两个灯光孔平齐，并与相应的各个灯光孔同时发光，直观地显示出线圈在各个位置时的感应电动势(或线圈和电阻组成的闭合电路中的感应电流)的大小和方向，并能直观地感觉到二极管的排列是一条正弦曲线，从而揭示出交流电的正弦变化规律。
图1是本说明器的一种具体结构的正面图。
图2是
图1说明器的背面图。
图3是
图1说明器的色光结构图。
图4
图1说明器的电路图。
图5
图1说明器的又一电路图。
参照
图1、图2、图3和图4，本说明器由立箱[13]和底座[14]组成。立箱面板[15]上的左面画有表示磁极的N、S方框和表示匀强磁场的等距平行箭头线，在“匀强磁场”的正中央装有线路开关K1和固定在线路开关K1转轴上的表示线圈abcd横截面的线圈板[16]，线圈板两端开有圆孔a和d，以示线圈垂直于磁场的两条边ab和cd的横截面。线圈板上还连有表示线圈转动时边ab和边cd的线速度箭头[G、H]。在线圈板转动的圆周上每隔圆心角π/6处开有序号为1—5，7—11的10个(5对)灯光孔[17]，其中序号为1—5的灯光孔为X形，序号为7—11的灯光孔为·形；每个灯光孔中装一个小灯泡[18]和遮光罩[19]，内外面还蒙上有色透明材料[20]和透光遮盖层[21]。线圈板在水平位置(即中性面)时，圆孔a和d所在的序号为0和6的地方不开孔，不装小灯泡。在立箱面板上的右面画有e(i)—wt，t直角坐标系，其横轴与线圈板的水平位置线相平齐。在坐标系中每隔wt为π/6的竖直方向上有序号0—12的13个二极管的发光头分别从各个对应的窗孔中穿出。每个二极管的发光头的位置与序号相同的灯光孔的位置相平齐。在立箱后板[22]上装有换向开关K2、电源开关K3和直流电接线柱A、B。在立箱内部安装了图3所示的电路，其中，换向开关K2为双刀双掷开关，有两个Q触头和两组相互连接的m触点和n触点。其中一个Q触头与电源开关K3的一端相连，另一端Q触头与直流电源接线柱B相连，电源开关K3与直流电源接线柱A相连。线路开关K1有序号为0—12的12个触点，其中序号为0和12的触点是同一个触点，序号为1和7、2和8……5和11的触点分别相连，组成5对。触头P和转轴F相连通，在转动中，触头P分别与各个触点接通，转轴F与换向开关K2的一个m触点相连。每对触点与由相同序号的小灯泡和二极管组成的单元的一端相连(图3中只画出4个单元，还有3个单元省略)，每个单元的另一端都连接在换向开关K2的一个m触点上，每个单元内的两个二极管反向连接。
合上电源开关K3接通电路，按照面板上线速度箭头方向转动线圈板依次到各个位置时，圆孔a和d正好依次分别对准相应位置的一对灯光孔。同时线路开关K1的触头P在线圈板的带动下依次作同步转动到各个相应位置的触点上，相应位置的一对小灯泡依次被箱内电路导通发光，从而使圆孔a和d内依次发出强弱不等的状和⊙状的色光，显示出线圈在各个位置的感应电流i(以下简称i)的大小和方向；与此同时，坐标系中的各个相应的二极管依次被箱内电路导通发光，显示出线圈在各个位置的感应电动势e(以下简称e)的大小和方向。当线圈板作正负半周转动的转换时，扳动换向开关K2，使得电路中的电流方向相反，线圈板两端圆孔a和d内的色光就分别由状变成⊙状和由⊙状变成状，显示出线圈在正负半周转动中，i的方向相反。下面举例作进一步的说明例如线圈板在水平位置(即中性面)时，圆孔 a和d分别在序号为0和6的位置上而不发光，而线路开关K1的触头P与序号为0的触点接通，序号为0的二极管被导通发光，显示出线圈在水平位置时i＝e＝0。当线圈板转到圆孔a和d对准序号为1和7的灯光孔位置时，线速度箭头斜切割磁感应线，线路开关K1的触头P与序号为1的触点接通，序号为1和7的小灯泡同时发光，序号为1和7的灯光孔被照亮，在圆孔a和d内分别形成较暗的和⊙状的色光，显示出线圈在此位置斜切割磁感应线时有较小的正向的(a-＞b-＞c-＞d-＞a)i。与此同时，序号为1的二极管被导通发光，而序号为7的二极管却被反向截止，显示出线圈在此位置时有较小的正向的e。如果线圈在正切割磁感应线(即线圈板圆孔a和d对准序号为3和9的灯光孔位置)时产生的e的大小和方向用序号为3和9的灯光孔到线圈板水平线位置的距离和此距离的正负方向来表示，那么线圈在其它位置时的e的大小和方向均可用各个相应位置的灯光孔到线圈板水平线位置的距离和此距离的正负方向来表示(这个关系可简单证明，此处从略)。由于多个相应的二极管与灯光孔相平齐，因此各个相应的二极管在坐标系中的位置就直接显示出线圈在各个位置的e的大小和方向。当序号为1的二极管发光时，就显示出线圈在序号为1的灯光孔的位置的e的大小和方向；当序号为2的二极管发光时，就显示出线圈在序号为2的灯光孔的位置的e的大小和方向，其余类推。又例如，当线圈板转过正半周时，扳动换向开关K2，使其两个Q触头同时分别离开两个m触点而与两个n触点接通，当线圈板转到序号为7的灯光孔时，线路开关K1的触头P与序号为7的触点接通，序号为1和7的小灯泡再次同时发光，序号为1和7的灯光孔又被照亮，但在圆孔a和d内的色光分别由状变成⊙状和由⊙状变成状，显示出线圈中的i方向由正变负，即d-＞c-＞b-＞a-＞d。同时由于电路中电流方向相反，序号为7的二极管被导通发光，而序号为1的二极管被反向截止，显示出线圈在此位置有较小的反向的e，其余类推。纵观线圈板转动一周的e(或线圈和电阻组成的闭合电路中的感应电流i)的大小和方向的变化情况，从二极管在坐标系中的排列情况就可以直观地感觉到是一条正弦曲线，形象直观地揭示了矩形线圈在运行磁场中匀速转动时产生了正弦交流电。
参照图5，本说明器中的线路开关K1可用图4中的线路开关K1′来代替。K1′是转轴F′上装有两个触头的开关，原序号为7-11的触点被金属片L代替，序号为6的触点用导线与金属片L连接。K1′代替K1时，只要将与K1转轴F相连的导线端改接到K1′的金属片L上。同时在序号分别为0和6、12的二极管之间加接一个单刀双掷开关K4，加接时，将K4的触头的一端与K1′的序号为0和12的触点相连，K4的f触点与序号为0的二极管的一极相连，K4的g触点与序号为6和12的二极管并联端h相连。
权利要求1.由立箱[13]和底座[14]组成的交流电说明器，其立箱面板[15]上的左面具有表示磁极的N、S方框，表示匀强磁场的等距离平行箭头线，在“匀强磁场”的正中央装有线路开关K1和固定在线路开关K1转轴F上的表示矩形线圈abed横截面的线圈板[16]；在线圈板转动的圆周上每隔圆心角π/6具有序号分别为1—5，7—11的10个(5对)隐蔽灯光孔[17]，立箱面板[15]上的右面具有e(i)—wt，t的直角坐标系，坐标系中有序号分别为0—12的13个发光二极管的发光头分别从各个相应的窗孔中穿出；立箱后板[22]上装有换向开关K2、电源开关K3和直流电源接线柱A、B；本说明器的特征在于线圈板[16]可在“匀强磁场”中转动，线圈板[16]两端具有表示矩形线圈中垂直于磁场的两条边ab和cd的横截面的圆孔a和d，在圆孔a和d的旁边还连有表示矩形线圈转动时，边ab和cd的线速度箭头G、H。
2.根据权利要求1的交流电说明器，其特征在于序号为1—5、7—11的10个(5对)隐蔽灯光孔[17]中一半为X形，另一半为·形，每个隐蔽灯光孔[17]中有一个小灯泡[18]和遮光罩[19]，每个小灯泡[17]内外面还蒙有有色透明材料[20]和透光遮盖层[21]，线圈板[16]在水平位置时，圆孔a和d所在的序号为0和6的地方不开孔，不装小灯泡。
3.根据权利要求1的交流电说明器，其特征在于坐标系的横轴与线圈板[16]的水平位置相平齐，坐标系中的每个发光二极管发光头的位置与序号相同的隐蔽灯光孔[17]的位置相平齐。
4.权利要求1的交流电说明器，其特征在于换向开关K2为双刀双掷开关，有两个Q触头和两组m、n触点，线路开关K1有一个触头P和序号分别为0—12的12个触点，其中序号为0和12的触点为同一个触点，序号为1和7、2和8……5和11的触点分别相连，组成5对，触头P和转轴F相连通，转动中，触头P分别与各个触点接通，每个触点与由序号相同的小灯泡、发光二极管组成的单元的一端相连，每个单元的另一端都连接在换向开关K2的一个m触点上，每个单元内的两个二极管反向连接。
5.根据权利要求1的交流电说明器，其特征在于其线路开关K1可用线路开关K1′代替，K1′是是转轴F′上装有两个触头的开关，原序号为7—11的触点被金属片L代替，序号为6的触点用导线与金属片L连接；K1′代替K1时，只要将与K1转轴F相连的导线端改接到K1′的金属片L上，同时在序号分别为0和6、12的二极管之间加接一个单刀双掷开关K4，加接时，将K4的触头的一端与K1′的序号为0和12的触点相连，K4的触点f与序号为0的发光二极管的一极相连，K4的触点g与序号为6和12的发光二极管并联端h相连。
专利摘要本说明器是教学仪器,用来弥补挂图和教师板画缺乏动感以及交互性、趣味性的不足,形象直观地说明交流电变化规律。本说明器采用
图1所示的立箱式装置,通过立箱内的电路和转动立箱面板上的线圈板,一方面控制各个小灯泡的发光,来分别照亮各个相应的X形和·形的隐蔽灯光孔,在线圈板两端的圆孔内分别显示出强弱不等的○状和⊙状的色光,形象地表示矩形线圈在匀强磁场中转动时各个位置的感应电流的大小和方向;另一方面又控制坐标系中的各个相应的发光二极管发光,直观地表示出矩形线圈在各个位置的感应电动势的大小和方向。
文档编号G09B23/18GK2469513SQ0121755
公开日2002年1月2日 申请日期2001年2月26日 优先权日2001年2月26日
发明者张亚军, 张永晓 申请人:张永晓