一种两通电平行铜棒受力演示与定量测量实验仪的制作方法

本发明属于物理学实验装置技术领域，具体涉及一种两通电平行铜棒受力演示与定量测量实验仪。

背景技术

电流与电流的相互作用，不是直接的而是间接的相互作用，即是通过磁场作为媒介而产生力的一种相互作用力。通电导线会在其周围产生磁场，磁场对磁场中的电流有力的作用性质，这样，一根通电导线在另外一根通电导线产生磁场中会受到磁场力(安培力)的作用，同理，另外一根通电导线也会受到在这根通电导线产生的磁场中受到磁场力(安培力)的作用。众所周知，根据通电导线电流的方向，采用右手定则就可以判断其产生磁场的方向，当两根通电导线相互处于对方通电导线的磁场中时，采用左手定则，就可以判断出彼此处于对方磁场中所受到力的方向，由此可以得到两根平行通电导线的相互受力规律：“同向电流相吸，异向电流相斥”的结论。

通常人们采用两根导线来演示两平行通电导线之间的相互作用力，即通入相同电流方向的两根导线吸引，异向电流的两根导线相互排斥，通过该演示实验，虽然可以看到相互吸引与排斥的实验现象，若随便采用两根通电导线演示不但不方便，而且更无法定量测量安培力的大小，以及安培力随着两根通电平行导线随距离远近和电流大小变化之间关系，就申请者所知，到目前为止，还仍然没有这样的一个演示与定量测量实验仪器。

技术实现要素：

本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种两通电平行铜棒受力演示与定量测量实验仪。

这种两通电平行铜棒受力演示与定量测量实验仪，包括实验台、恒流源控制箱、支撑臂、铜棒通电导线、铜棒扭力弹簧、铜棒转动轴、小轮轴、左右铜棒、固定滑板移动滑槽和度量左右转动轴位置毫米尺；

实验台上部为实验台面，实验台下方设置有支撑腿，实验台面与支撑腿间设置有抽屉；实验台面上方两侧设置有右支撑臂和左支撑臂，右支撑臂与左支撑臂间设置有下梁和上梁，实验台面上放置有恒流源控制箱；左铜棒通电导线包括左铜棒下导线和左铜棒上导线，从恒流源控制箱左侧引出的左铜棒通电导线经左支撑臂、下梁引出左铜棒下导线连接至左铜棒下端的铜棒接线套环，从恒流源控制箱左侧引出的左铜棒通电导线经左支撑臂、上梁引出左铜棒上导线连接至左铜棒上端的铜棒接线套环；右铜棒通电导线包括右铜棒下导线和右铜棒上导线，从恒流源控制箱右侧引出的右铜棒通电导线经右支撑臂、下梁引出右铜棒下导线连接至右铜棒下端的铜棒接线套环，从恒流源控制箱右侧引出的右铜棒通电导线经右支撑臂、上梁引出右铜棒上导线连接至右铜棒上端的铜棒接线套环；

下梁和上梁上分别设置有固定滑板移动滑槽、固定滑板和度量左右转动轴位置毫米尺；固定滑板上设置有小轮轴和铜棒扭力弹簧，左侧上下两个小轮轴分别固定左铜棒上下两端的铜棒转动轴，右侧上下两个小轮轴分别固定右铜棒上下两端的铜棒转动轴，铜棒转动轴内套在铜棒扭力弹簧的中间；铜棒扭力弹簧始端的固定滑板连接端固定在固定滑板上的小轮轴外侧的小滑轮外圈卡圈上，铜棒扭力弹簧终端固定在左右铜棒的铜棒上下转动臂的铜棒转动臂连接端处的对应位置；左铜棒穿入左测的铜棒上下转动臂端部的铜棒穿孔中且分别套入铜棒接线套环并固定，右铜棒穿入右侧的铜棒上下转动臂端部的铜棒穿孔中且分别套入铜棒接线套环并固定；

铜棒下转动臂相应位置安装有安培力大小下指示针，指针折转指示在左右铜棒的安培力大小指示下盘；铜棒上转动臂相应位置安装有安培力大小上指示针，指针折转指示在左右铜棒的安培力大小指示上盘。

作为优选：恒流源控制箱面板上设置有恒流源电源开关、指示灯、右铜棒通电按钮、左铜棒通电按钮、恒流电流大小增减旋钮、恒流电流显示荧光屏和电流正反向转换按钮。

作为优选：左铜棒与右铜棒的铜棒转动轴内套于小轮轴的小轮轴内圈并固接。

作为优选：左铜棒穿入左侧的铜棒上下转动臂端部的铜棒穿孔中且分别套入铜棒接线套环并通过铜棒接线套环固定螺丝紧固，左铜棒上端的铜棒接线套环与左铜棒上导线连接，左铜棒下端的通电接线套环与左铜棒下导线连接；右铜棒穿入右侧的铜棒上下转动臂端部的铜棒穿孔中且分别套入铜棒接线套环并通过铜棒接线套环固定螺丝紧固，右铜棒上端的铜棒接线套环与右铜棒上导线相连，右铜棒下端的铜棒接线套环与右铜棒下导线相连。

本发明的有益效果是：

1、本发明既能演示两铜棒同向电流相互吸引与异向电流相互排斥的现象，又能定量测量相吸或相斥安培力的大小数值。

2、本发明在保持电流大小不变的条件下，可以演示两铜棒安培力的大小随两铜棒之间距离变化的关系。

3、本发明采用了合适弹性系数扭力弹簧，以及依据扭力弹簧扭力数值，根据力矩原理推算出安培力大小，从而将该安培力大小采用安培力指示针直接指示在安培力指示盘的指定位置，以便实验者从中读出安培力大小。

4、本发明采用了四个安培力大小指示盘对通电铜棒安培力大小进行指示，实验者可以根据安培力大小指示盘指针指示位置精确读数，最终两铜棒安培力大小依据四个安培力指示盘精确读数的加权平均值，作为安培力大小的精确测量值。

5、本发明四个安培力指示盘是采用固定安培力大小指示盘固定半圆将其分别固定在上梁与下梁，其中心挖洞刚好让转动轴与扭力弹簧在其中自由转动，而安培力指示针被巧妙地固定在铜棒转动臂上，并采用相应结构能够在安培力指示盘上指示出安培力的大小。

6、本发明为了验证两铜棒所受到的安培力大小与两铜棒之间距离关系，在上下梁上采用了固定滑板滑槽，通过滑动固定滑板能够改变两铜棒之间距离，同时在上下梁上设置了度量左右转动轴位置毫米尺，可以准确度量左右铜棒之间距离。

7、本发明采用恒流源控制箱为左右铜棒提供电流，既能为左右铜棒提供同向电流，又能为左右铜棒提供反向电流，同时还可以连续改变电流大小。

附图说明

图1为本发明实验仪整体结构示意图；

图2为铜棒扭力弹簧的结构主视图与俯视图；

图3为小轮轴的结构示意图；

图4为铜棒、铜棒转动臂、扭力弹簧及转动轴等部件连接俯视图；

图5为右铜棒、扭力弹簧、铜棒转动臂、转动轴及固定滑板等部件连接右视图；

图6为左铜棒、扭力弹簧、铜棒转动臂、转动轴及固定滑板等部件连接左视图；

图7为铜棒转动轴、小轮轴、固定滑板及上下梁等局部结构俯视图；

图8为扭力弹簧产生扭力、安培力与指示盘刻度换算及力矩计算关系示意图；

图9为铜棒转动轴、扭力弹簧与安培力大小指示盘俯视图；

图10为恒流源控制箱示意图；

图11为两平行铜棒同方向通电相互产生磁场与相互吸引受力分析示意图。

附图标记说明：1、支撑腿，2、抽屉，3、实验台面，4、恒流源控制箱，4-1、恒流源电源开关，4-2、指示灯，4-3、右铜棒通电按钮，4-4、左铜棒通电按钮，4-5、恒流电流大小增减旋钮，4-6、恒流电流显示荧光屏，4-7、电流正反向转换按钮，5、右支撑臂，5-0、左支撑臂，5-10、下梁，5-20、上梁，5-200、转动轴对准线，5-202、固定滑板固定螺丝滑槽，5-203、固定滑板，5-204、滑板固定螺丝，6、左铜棒通电导线，6-1、左铜棒通电下导线，6-2、左铜棒通电上导线，6-0、右铜棒通电导线，6-01、右铜棒通电下导线，6-02、右铜棒通电上导线，6-10、铜棒接线套环，7、左铜棒安培力大小指示下盘，7-1、左铜棒安培力大小指示上盘，7-0、右铜棒安培力大小指示下盘，7-01、右铜棒安培力大小指示上盘，7-11、安培力大小指示下盘固定半圆，7-21、安培力大小指示上盘固定半圆，8、铜棒扭力弹簧，8-0、扭力弹簧截面，8-1、固定滑板连接端，8-2、铜棒转动臂连接端，9、铜棒转动轴，10、小轮轴，10-0、轮珠，10-1、小滑轮内圈，10-4、小滑轮外圈，10-5、小滑轮外圈卡圈，11、左铜棒，11-0、右铜棒，11-1、铜棒接线套环固定螺丝，11-2、铜棒下转动臂，11-3、铜棒上转动臂，11-4、安培力大小下指示针，11-5、安培力大小上指示针，12、固定滑板移动滑槽，13、度量左右转动轴位置毫米尺。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步描述。下述实施例的说明只是用于帮助理解本发明。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

所述的两通电平行铜棒受力演示与定量测量实验仪，包括支撑腿1、抽屉2、实验台面3、恒流源控制箱4、支撑臂、铜棒通电导线、铜棒扭力弹簧8、铜棒转动轴9、小轮轴10、铜棒、固定滑板移动滑槽12、度量左右转动轴位置毫米尺13，如图1所示。

实验台下方设置有四个支撑腿1，实验台面3与支撑腿1间设置有两个抽屉2，抽屉2用来放置调节转动轴间距工具及实验用品等。在实验台面3上方两侧设置有合适宽度的右支撑臂5与左支撑臂5-0，在右支撑臂5与左支撑臂5-0间设置有下梁5-10和上梁5-20。实验台面3上放置一台恒流源控制箱4，恒流源控制箱4面板上设置有恒流源电源开关4-1、指示灯4-2、右铜棒通电按钮4-3、左铜棒通电按钮4-4、恒流电流大小增减旋钮4-5、恒流电流显示荧光屏4-6、电流正反向转换按钮4-7。左铜棒通电导线6包括左铜棒通电下导线6-1和左铜棒通电上导线6-2，从恒流源控制箱4左侧引出左铜棒通电导线6经左支撑臂5-0、下梁5-10引出左铜棒通电下导线6-1接至左铜棒11下端的铜棒接线套环6-10，从恒流源控制箱4左侧引出左铜棒通电导线6经左支撑臂5-0、上梁5-20引出左铜棒通电上导线6-2接至左铜棒11上端的铜棒接线套环6-10；右铜棒通电导线6-0包括右铜棒通电下导线6-01和右铜棒通电上导线6-02，从恒流源控制箱4右侧引出右铜棒通电导线6-0经右支撑臂5、下梁5-10引出右铜棒通电下导线6-01接至右铜棒11-0下端的铜棒接线套环6-10，从恒流源控制箱4右侧引出右铜棒通电导线6-0经右支撑臂5、上梁5-20引出右铜棒通电上导线6-02接至右铜棒11-0上端的铜棒接线套环6-10，如图1、10、4、5、6所示。

在下梁5-10和上梁5-20上分别设置有固定滑板移动滑槽12以及确定左右铜棒的固定滑板5-203位置的度量左右转动轴位置毫米尺13。在四个固定滑板5-203上均设置有小轮轴10和铜棒扭力弹簧8，左侧上下两个小轮轴10分别固定左铜棒11上下两端的铜棒转动轴9，右侧上下两个小轮轴10分别固定右铜棒11-0上下两端的铜棒转动轴9，左铜棒11与右铜棒11-0的铜棒转动轴9内套于小轮轴10的小轮轴内圈10-1并固接。铜棒转动轴9内套在铜棒扭力弹簧8的中间，铜棒扭力弹簧8始端的固定滑板连接端8-1固定在小轮轴10外侧对应的固定滑板5-203上的小滑轮外圈卡圈10-5上，铜棒扭力弹簧8终端固定在左右铜棒的铜棒上下转动臂的铜棒转动臂连接端8-2处的对应位置，如图7所示。

左铜棒11穿入左测的铜棒上下转动臂端部的铜棒穿孔中且分别套入铜棒接线套环6-10并用铜棒接线套环固定螺丝11-1固定紧，左铜棒11上端的铜棒接线套环6-10与左铜棒通电上导线6-2连接，左铜棒11下端的通电接线套环6-10与左铜棒通电下导线6-1连接；右铜棒11-0穿入右侧的铜棒上下转动臂端部的铜棒穿孔中且分别套入铜棒接线套环6-10并用铜棒接线套环固定螺丝11-1固定紧，右铜棒11-0上端的铜棒接线套环6-10与右铜棒通电上导线6-02相连，右铜棒11-0下端的铜棒接线套环6-10与右铜棒通电下导线6-01相连。左铜棒通电上导线6-2与左铜棒通电下导线6-1、右铜棒通电上导线6-02与右铜棒通电下导线6-01分别经左支撑壁5-0、右支撑壁5再分别汇入左铜棒通电导线6、右铜棒通电导线6-0至恒流源控制箱4中，如图1、5、6、4所示。

左右铜棒的安培力大小下指示针11-4安装在各自铜棒下转动臂11-2相应位置，并使指针折转指示在各自左右铜棒的安培力大小指示下盘，左右铜棒的安培力大小上指示针11-5安装在各自铜棒上转动臂11-3相应位置，并使指针折转指示在各自左右铜棒的安培力大小指示上盘，如图5、6、9所示。

铜棒扭力弹簧8套在铜棒转动轴9外，铜棒扭力弹簧8的始端固定在小轮轴10外侧的固定滑板5-203上，铜棒扭力弹簧8的末端伸出支点与铜棒转动臂的准确对应位置连接，即铜棒扭力弹簧8的铜棒转动臂连接端8-2垂直固定在铜棒转动臂的准确位置并固定连接，该自然状态下，扭力弹簧扭力为0，即扭力指针刚好指向扭力刻度盘的中间0的位置，此种状态下，分别向左右角度增大的方向，扭拉力与扭压力分别增大，向角度减小的方向，则扭拉力与扭压力减小，如图2、4、5、6所示。

改变左右铜棒之间距离，即调节左右铜棒转动轴之间距离，是采用将小轮轴10固定在固定滑板5-203上，将铜棒转动轴9一端固定在小轮轴10内侧，另一端与铜棒转动臂垂直固连，铜棒扭力弹簧8套在铜棒转动轴9外侧，铜棒扭力弹簧8始端的固定滑板连接端8-1固定在固定滑块5-203上的小轮轴10外侧，使之铜棒转动臂处于自然平行状态下，也就是说，在左右铜棒没有通入电流(即没有受到安培力)的条件下，左右铜棒转动轴9间距即为左右铜棒之间的距离，此时，左右铜棒的安培力大小下指示针11-4与安培力大小上指示针11-5均指示在左右铜棒安培力大小指示下盘与左右铜棒安培力大小指示上盘的中心0位置，要改变左右铜棒之间距离，只需要将左右固定滑板5-203在固定滑板移动滑槽12中移动，左右铜棒转动轴9的转动轴对准线5-200间距可以在度量左右转动轴位置毫米尺13读出，当固定滑板5-203之间距离确定后，可以采用固定螺丝5-204穿过固定滑板固定螺丝滑槽5-202，将固定滑板5-203分别与上下梁紧紧固定，如图7、5、6、9所示。

一、实验仪的实验步骤

1、若要演示左右铜棒通一方向相同的电流后左右铜棒的吸引现象并测量安培力的大小。可以调节左右铜棒对应固定滑板5-203的位置，使之能够达到演示与测量效果比较好的适当距离，该调节一定要保证左右铜棒的上下铜棒转动轴9同轴，左右铜棒转动轴9的间距可以通过固定滑板5-203的转动轴对准线5-200与度量左右转动轴位置毫米尺13上刻度读出的对应位置来确定，按恒流源电源开关4-1，指示灯4-2亮，分别按右铜棒通电按钮4-3与左铜棒通电按钮4-4以及恒流电流大小增减旋钮4-5，使之恒流电流显示荧光屏4-6显示相同大小电流，即左右铜棒通一方向相同、大小相同的电流，观察左右铜棒的运动情况，并读取各自安培力大小下指示针11-4在左右铜棒安培力大小指示下盘的指示读数，以及各自安培力大小上指示针11-5在左右铜棒安培力大小指示上盘的指示读数。最终求取四个值的平均值的2倍，即为安培力的大小数值；

2、若要演示左右铜棒通一方向相反的电流后左右铜棒的排斥现象并测量安培力的大小。该情况下，只需按下电流正反向转换按钮4-7，使之左右铜棒电流方向相反，其恒流源控制箱4的操作方法与测量方法与上述同向电流演示、测量的操作及读数与计算安培力大小方法类似，此时，会观察到左右铜棒是相互离开，即出现相互排斥现象，同时安培力大小指示针在左右铜棒安培力大小指示盘上的方向与同向电流所指示的方向相反；

3、若要演示和测量安培力大小与两根铜棒所流过的电流大小的关系。只需要保持左右铜棒对应的固定滑板间距不变，分别改变左右铜棒通电电流的大小，进而观察左右铜棒偏转情况,并读取指针所指示位置的读数，读数与计算安培力大小的方法同上；

4、若要演示和测量左右铜棒安培力大小与左右铜棒之间距离的关系。只需通过多次改变左右铜棒的固定滑板(即铜棒转动轴9)之间的距离，同时保持左右铜棒上的电流大小不变，就可以演示和测量安培力大小与距离之间的关系，读数与计算安培力大小的方法同上。

二、各种结构的原理

1、安培力指示刻度盘上安培力大小的标注方法与原理

如图8所示，根据扭力弹簧可以存储和释放角能量或者通过绕簧体中轴旋转力臂以静态固定某一装置。将扭力弹簧套在转动轴外侧，扭力弹簧始端外套于小轮轴10外并固定在固定滑板5-203上，另一端(末端)通过扭力弹簧扭转作用力端点卡接在铜棒转动臂上。设扭力弹簧对铜棒转动臂产生的推力弹力f、拉力弹力f1，安培力吸引力f1、安培排斥力f。若左右铜棒受安培力吸引力f1(或排斥力f)后，左右铜棒通过铜棒转动臂围绕转动轴9(o)转动，扭力弹簧会产生弹力拉伸力f1(或推力弹力f)，即安培力是通过弹簧指示值反映出来的，故指针指示值，即为安培力吸引力f1(或排斥力f)的大小，采用力矩平衡原理：f(f′)·l＝f(f′)·s，故刻度指示盘上的刻度指示力的大小为：

f(f′)＝l/l·f(f′)……(1)

依据公式(1)对安培力大小指示盘上的刻度进行刻度标注。

2、铜棒转动臂与弹簧连接方式说明

如图4所示，扭力弹簧套在铜棒转动轴9外，扭力弹簧的始端固定在小轮轴10外侧的固定滑板5-203上，扭力弹簧的末端伸出支点与铜棒转动臂的准确对应位置连接，即扭力弹簧的铜棒转动臂连接端8-2垂直固定在铜棒转动臂的准确位置并固定连接，该自然状态下，扭力弹簧扭力为0，即扭力指针刚好指向扭力刻度盘的中间0的位置，此种状态下，分别向左右角度增大的方向，扭拉力与扭压力分别增大，向角度减小的方向，则扭拉力与扭压力减小。

3、恒流源控制箱功能与使用说明

如图10所示，恒流源控制箱4的作用在于：采用恒流源电源开关4-1可以打开恒流源控制箱4，指示灯4-2亮，分别按右铜棒通电按钮4-3与左铜棒通电按钮4-4，可以在恒流电流显示荧光屏4-6上分别显示右铜棒11-0与左铜棒11上的电流大小，同时还可以采用恒流电流大小增减旋钮4-5对左右铜棒上的电流持续增加和减小，以及采用电流正反向转换按钮4-7对右铜棒11-0与左铜棒11上的电流进行同向与反向通电，从而达到演示安培力吸引与排斥的效果，以及数值大小测量的预期实验目标。

4、两铜棒之间距离改变说明

如图4、5、6、7、9所示，为了达到通过实验验证两通电铜棒产生的安培力与导线的距离有关，就需要改变左右铜棒之间的距离，调节左右铜棒转动轴之间的距离，是采用将小轮轴10固定在固定滑板5-203上，将铜棒转动轴9一端固定在小轮轴10内侧，另一端与铜棒转动臂垂直固连，铜棒扭力弹簧8套在铜棒转动轴9外侧，铜棒扭力弹簧8始端的固定滑板连接端8-1固定在固定滑块5-203上的小轮轴10外侧，使之铜棒转动臂处于自然平行状态下，也就是说，在左右铜棒没有通入电流(即没有受到安培力)的条件下，左右铜棒转动轴9间距即为左右铜棒之间的距离，此时，左右铜棒的安培力大小下指示针11-4与安培力大小上指示针11-5均指示在左右铜棒安培力大小指示下盘与左右铜棒安培力大小指示上盘的中心0位置，要改变左右铜棒之间距离，只需要将左右固定滑板5-203在固定滑板移动滑槽12中移动，左右铜棒转动轴9的转动轴对准线5-200间距可以在度量左右转动轴位置毫米尺13读出，当固定滑板5-203之间距离确定后，可以采用固定螺丝5-204穿过固定滑板固定螺丝滑槽5-202，将固定滑板5-203分别与上下梁紧紧固定。

三、实验原理

如图11所示，以左右铜棒通一大小与方向均相同的电流为例，设左右铜棒上所通过的电流强度为i，导线周围某一点a到导线的距离r，在导线上任取一电流元idl，它距离考察点的距离为r，电流元在考察点处产生的磁场垂直于纸面向里，其大小为

从图上可知

l＝rtgφ，rcosφ＝r，sinθ＝cosφ，代入上式并积分得

φ2、φ1分别为从考察点到导线两端的连线与r的夹角。

通电导线a在导线b的a处产生的磁场b，通电导线b在导线a的b处产生的磁场b，通电导线a、b分别受到对方的磁场作用力，其作用力均可采用磁场力公式

f＝bil……(4)

f表示吸引力(或排斥力)，从(4)式明显地可以看出，作用力f的大小与磁场b、通电电流i大小，以及导线的长度l均成正比。

需要强调的是，无论是吸引力还是排斥力，判断的方法均采用左手定则来判断。