一种多功能楞次定律实验装置的制作方法

本发明属于物理科学实验装置技术领域，具体涉及一种多功能楞次定律实验装置。

背景技术

楞次定律是电磁学领域的一条重要定律，它可以用来判断由电磁感应而产生的电动势的方向，由俄国物理学家海因里希·楞次在1834年发现。可以表述为：感应电流具有这样的方向，即感应电流的磁场总要阻碍引起感应电流的磁通量的变化。还可表述为：感应电流的效果总是反抗引起感应电流的原因。宏观表现即为电磁阻尼现象：当闭合导体与磁极发生相对运动时，两者之间会产生电磁阻力，阻碍相对运动。

楞次定律是电磁领域的惯性定理，是能量守恒定律在电磁感应现象中的具体体现，它所表现出的电磁阻尼现象可广泛应用于电磁阻尼器、磁悬浮轴承、磁制动刹车、磁阻尼抗震和非接触的驱动和制动系统等装置中。高中物理教学中，楞次定律第一次涉及到了变化的磁场与感应电流的磁场之间的相互关系，是一种动态场，相较之前学习的电磁学内容，楞次定律有了从静到动的改变，所以学生理解起来要困难一些。同时，楞次定律在物理课本中位于法拉第电磁感应定律之前，对后面电磁学内容的学习也有铺垫作用。因此，如何让学生了解并掌握楞次定律以及相关的电磁学知识，对于中学物理教学至关重要。

超导体具有零电阻的特性，是指超导材料温度降低至某一温度以下时，电阻突然消失的现象，这一温度被称为临界温度。最早发现的低温超导体由于其临界温度很低（小于40k），需要用液氦冷却，我们难以在日常生活中看到。高温超导的发现使得临界温度出现了关键性的突破，高温超导体通常指临界温度高于液氮温度（大于77k）的超导体，由于液氮在生活中易于获取，使得大众也可以在生活中看到神奇的超导现象。将超导体的零电阻特性通过楞次定律实验来演示，对于学生理解超导体零电阻特性和楞次定律都有很大的帮助，由于超导体在临界温度以下没有电阻，当用第二代高温超导带材绕制的螺线管中有磁体下落时，其产生的电磁阻尼现象相较于铜质线圈更为明显；分别在液氮温度下和室温下用超导线圈演示楞次定律实验，也可让学生理解超导材料在临界温度以上及以下表现出的不同导电特性。

目前，相关的教学课堂中演示楞次定律形式较为单一，仅通过螺线管和条形磁铁的相对运动来判断感应电流的方向，不能直接演示出螺线管中电流的变化产生的相反磁场，从而不能使学生直观地体验到楞次定律阻碍导体与磁体相对运动的特点。目前有不少的楞次定律演示装置，有些演示采用数字存储示波器记录磁体在导体管中下落时产生的感应电动势，虽然得到的感应电动势结果较为准确，但演示效果不够直观，学生不能观察和比较楞次定律中的磁体对导体管的阻碍效果；例如，授权公告号为cn205003936u的发明专利：一种楞次定律可视演示仪，虽然采用“流水灯”表示出了电流大小和方向的变化，增加了实验的直观性和趣味性，但演示内容较为单一；授权公告号为cn103150953b的发明专利：一种楞次定律演示装置，利用导体环在磁体外围运动，通过加入对比实验的非导磁、非导电柱体、非导磁的金属环，实现了较好的演示效果，但该装置没有演示不同的螺线管在楞次定律中对运动磁体的阻碍效果；授权公告号为cn203085038u的发明专利：单片机对比式楞次定律演示装置，通过引入单片机和光电传感器，直观、形象、定量的演示了楞次定律，但该装置中未涉及磁体在螺线管中下落结果的比较，也未涉及温度对于材料导电性能的影响。

技术实现要素：

为了解决现有技术中存在的楞次定律演示装置形式单一，不能直观的演示出螺线管中电流的变化产生的相反磁场，不利于学生学习和理解楞次定律的技术问题，本发明提供了以下技术方案：

一种多功能楞次定律实验装置，包括由上至下依次层叠的第一支架、第二支架和第三支架，所述第一支架和第二支架之间可拆卸连接，所述第二支架和第三支架之间固定连接；

所述第一支架顶壁的顶面上设置有多个铜线圈，所述第一支架顶壁的底面上设置有多个用于放置磁体的凹槽，所述第二支架顶壁设置有多个供螺线管穿过的圆孔，所述第三支架顶壁设置有多个用于承托所述螺线管底端的台阶孔，所述铜线圈、凹槽、圆孔和台阶孔的数量和位置均一一对应；

所述螺线管包括外管和内管，所述外管套设在所述内管上；

所述外管为漆包线或者第二代高温超导带材绕制于所述内管上；

所述内管为有机玻璃管或者聚四氟乙烯管；

所述第三支架顶壁底面上、位于所述台阶孔边沿处设置有光电传感器和计时停止开关，所述光电传感器、计时停止开关与计时器串联；

还包括计时开始开关和恒流源，所述计时开始开关、恒流源、计时器以及铜线圈串联。

作为本发明的进一步说明，所述第一支架两端的侧板底部固定设置有一滑动板；

所述第二支架顶壁的顶面两端分别设置有滑槽；

所述第一支架和第二支架之间通过所述滑动板插入所述滑槽内实现可拆卸连接。

作为本发明的进一步说明，所述第一支架两端侧板之间设置有多个与侧板平行设置的隔板。

作为本发明的进一步说明，所述第三支架的台阶孔下方均放置有缓冲盒，所述缓冲盒内放置有减震缓冲材料。

与现有技术相比，本发明取得的有益效果为：

1、本发明的螺线管采用漆包线或者第二代高温超导材料绕制在有机玻璃管或者聚四氟乙烯管上的结构，此结构的螺线管进行的楞次定律演示，相比于传统的演示装置能够更加直观的表现出楞次定律，使学生加深对电磁现象的认识和理解。

2、本发明的实验装置通过第一支架和第二支架的可拆卸连接，能够方便的进行螺线管的更换，从而使实验装置使用更加灵活、多变。

3、本发明的实验装置采用计时器记录磁体下落的时间，实验结果更准确，而且可量化，使实验结果更加直观。

以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。

附图说明

图1是本实验装置整体结构示意图。

图2是本实验装置第一支架与第二支架之间的可拆卸连接结构示意图。

图中：1、第一支架；2、第二支架；3、第三支架；4、铜线圈；5、磁体；6、外管；7、内管；8、光电传感器；9、计时停止开关；10、计时器；11、计时开始开关；12、恒流源；13、滑动板；14、滑槽；15、隔板；16、缓冲盒；17、l型板。

具体实施方式

为进一步阐述本发明达成预定目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及实施例对本发明的具体实施方式、结构特征及其功效，详细说明如下。

在本发明创造的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明创造和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明创造的限制。

此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明创造的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明创造中的具体含义。

实施例1：

为解决现有技术中存在的楞次定律演示装置形式单一的技术问题，本实施例提供一种多功能楞次定律实验装置，如图1所示，包括由上至下依次层叠的第一支架1、第二支架2和第三支架3，第一支架1和第二支架2之间可拆卸连接，第二支架2和第三支架3之间固定连接；第一支架1、第二支架2、第三支架3均采用非导磁、非导电、透明度高的有机玻璃材质，第一支架1顶壁的顶面上设置有四个铜线圈4，第一支架1顶壁的底面上设置有四个用于放置磁体5的凹槽，第二支架2顶壁设置有四个供螺线管穿过的圆孔，第三支架3顶壁设置有四个用于承托螺线管底端的台阶孔，铜线圈4、凹槽、圆孔和台阶孔的位置一一对应；

螺线管包括外管6和内管7，外管6套设在内管7上；本实施例中采用直径分别为0.5mm、1.0mm、1.5mm、2.0mm的漆包线均匀绕制1500匝于有机玻璃管上的螺线管，并且磁体5采用4组直径、厚度相同的圆柱形磁体5。

第三支架3顶壁底面上、位于台阶孔边沿处设置有光电传感器8和计时停止开关9，4个光电传感器8、4个计时停止开关9与计时器10串联；还包括计时开始开关11和恒流源12，计时开始开关11、恒流源12、计时器10以及4组铜线圈4串联。

打开恒流源12的开关，调节电压到16-20v，调节电流2-3a，此时4组铜线圈4两端产生磁场，根据安培定则判断4组铜线圈4的南北极，4组等直径等厚度的圆柱形磁体5以后磁体5与铜线圈4之间的吸引力吸附于第一支架1顶壁底面的4个凹槽内，关闭恒流源12的开关，4组磁体5同时下落，所述的计时开始开关11记录下4组磁体5开始下落的时刻，同时4个计时器10开始计时，当磁体5下落之后，4个光电传感器8感应到磁体5落出螺线管，同时4个计时停止开关9分别记录下4组磁体5从4组螺线管落出的时刻，计时器10停止计时，从而测得4组圆柱形磁体5下落所用的时间。

通过上述实验可以看到磁体5在0.5mm、1.0mm、1.5mm、2.0mm漆包线绕制的螺线管中的下落时间依次变长，其中下落最快的为有0.5mm漆包线绕制的螺线管，同样匝数情况下，线径最小的螺线管内部产生的感应电流最小，电流对磁体5的阻碍作用也就最小，因此下落最快；4个磁体5下落最慢的是2.0mm漆包线绕制的螺线管，更粗的线径可以产生的感应电流也更大，因此对运动磁体5的阻碍效果也越明显。

上述第一支架1两端的侧板底部固定设置有一滑动板13；第二支架2顶壁的顶面两端分别设置有滑槽14；第一支架1和第二支架2之间通过滑动板13插入滑槽14内实现可拆卸连接。本实施例中该滑槽14设置为两个倒置的l型板17相对设置的结构，如图2所示，第一支架1的侧板从滑槽14的端部插入，使滑动板13位于两个倒置l型板17的竖板之间，侧板位于两个倒置l型板17的横版之间，以实现相对滑动。即能够拆卸，又能够保证第一支架1与第二支架2连接的稳定性。

上述第一支架1两端侧板之间设置有多个与侧板平行设置的隔板15。

上述第三支架3的台阶孔正下方均放置有缓冲盒16，缓冲盒16内放置有减震缓冲材料，防止磁体5下落后碰撞破损。

本实施例中第一支架1、第二支架2、第三支架3的4个螺线管之间的距离应大于20cm，以防止磁体5防止和下落过程中由于引力和斥力的作用而相互干扰。

实施例2：

与上述实施例的不同之处在于，本实施例采用直径为1.5mm的漆包线分别均匀绕制300、900、1500、2100匝于有机玻璃管上的螺线管，选取4组厚度、直径均相同的圆柱形磁体5，使其吸附于4组铜线圈4下侧的凹槽内，关闭恒流源12开关，观察磁体5下落的快慢，通过计时器10查看4组磁体5下落所用时间，可以对比相同线径下，螺线管匝数对磁体5阻碍作用的影响。

实施例3：

与上述实施例的不同之处在于，本实施例采用两根螺线管，分别是直径为2.0mm的漆包线均匀绕制1500匝于有机玻璃管上的螺线管，以及宽度为2.0mm，厚度为0.1mm的第二代高温超导带材均匀绕制1500匝于聚四氟乙烯管上的螺线管，聚四氟乙烯管外的高温超导带材需用低温容器封装；选取2组厚度、直径均相同的圆柱形磁体5，使其吸附于2组铜线圈4下侧的凹槽内，关闭恒流源12开关，观察磁体5下落的快慢，通过计时器10查看2组磁体5下落所用时间，可以对比螺线管与高温超导带材绕制的聚四氟乙烯管对磁体5阻碍作用的影响，可定性探究高温超导材料在临界温度以下的导电特性。

实施例4：

与上述实施例的不同之处在于，本实施例采用宽度为2.0mm，厚度为0.1mm的第二代高温超导带材均匀绕制1500匝于聚四氟乙烯管上的两个相同的螺线管，聚四氟乙烯管外的高温超导带材一个置于室温下，另一个用低温容器封装；选取2组厚度、直径均相同的圆柱形磁体5，使其吸附于2组铜线圈4下侧的凹槽内，关闭恒流源12开关，观察磁体5下落的快慢，通过计时器10查看2组磁体5下落所用时间，可以对比高温超导带材螺线管在室温和临界温度以下时对磁体5阻碍作用的影响，可简单探究温度对高温超导材料导电性能的影响。

实施例5：

与上述实施例的不同之处在于，本实施例采用直径为1.5mm的漆包线均匀绕制1500匝于有机玻璃管上的4组相同的螺线管；选取4组厚度相同、直径不同的圆柱形磁体5，使其吸附于4组铜线圈4下侧的凹槽内，关闭恒流源12开关，观察磁体5下落的快慢，通过计时器10查看4组磁体5下落所用时间，可以探究运动磁体5直径对感应电流产生的影响。

实施例6：

与上述实施例的不同之处在于，本实施例采用直径为1.5mm的漆包线均匀绕制1500匝于有机玻璃管上的4组相同的螺线管；选取4组直径相同、厚度不同的圆柱形磁体5，使其吸附于4组铜线圈4下侧的凹槽内，关闭恒流源12开关，观察磁体5下落的快慢，通过计时器10查看4组磁体5下落所用时间，可以探究运动磁体5厚度对感应电流产生的影响。

实施例7：

与上述实施例的不同之处在于，本实施例采用直径为1.5mm的漆包线均匀绕制1500匝于聚四氟乙烯管上的2组相同的螺线管，其中一个螺线管放置于低温容器中，用液氮冷却，另一个放置于室温下；选取2组直径与厚度均相同的圆柱形磁体5，使其吸附于2组铜线圈4下侧的凹槽内，关闭恒流源12开关，观察磁体5下落的快慢，通过计时器10查看2组磁体5下落所用时间。可以看到，冷却后的螺线管中磁体5下落时间更长，下落速度更慢，这是因为冷却后的螺线管中铜质漆包线的电阻更小，其内部可以产生更大的感应电流阻碍磁体5的下落。该组实验从电磁感应方面探究了温度对导体导电性能的影响，有利于开拓学生的思维。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。