电磁运动实验系统及方法与流程

本发明涉及一种电磁运动实验系统及方法，具体是辅助学生理解电磁原理的、辅助学生理解运动原理的、趣味性的、便于互动参与的、扩展电学基础的、囊括初高中物理学知识的电磁运动实验系统及方法。

背景技术：

科技知识逐渐成为青少年学习的必修课，教学中借助结构简单、易于制作的教具非常重要，能够让学生更加直观地领会知识，并通过动手制作、理论结合实践加深理解。电磁炮运动实验系统将电学、物理学、运动学结合，特别适应青少年科普教育和科创实践。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述现有技术中的不足，提出一种电磁运动实验系统及方法，给学生提供一个效果稳定的实验系统，且便于学生参与实践；教学，重在锻炼学生的思维能力、培养逻辑缜密的实验方法。

本发明是通过以下技术方案实现的，一种电磁运动实验系统包括：电磁线圈模块、储能模块、电源模块、磁弹，其特征是，电源模块给储能模块充电，储能模块向电磁线圈模块放电，电磁线圈模块通入电流后将磁弹发射出去。

电磁运动实验系统还包括磁极识别模块，磁极识别模块用于检测装入电磁线圈模块中发射的磁弹的磁极：n极或s极；磁极识别模块采用霍尔开关、识别电阻、识别发光二极管，霍尔开关三个端子：电源、地、识别输出，识别电阻两端分别与电源、识别输出连接；识别发光二极管的正极与识别输出相连，识别发光二极管的负极与地相连。

电磁运动实验系统还包括磁极识别模块，磁极识别模块用于检测装入电磁线圈模块中发射的磁弹的磁极：n极或s极；电磁运动实验系统还包括发射模块，发射模块控制储能模块向电磁线圈模块放电的方向；发射模块有三个模式：电源模块向储能模块充电模式、n极发射模式、s极发射模式；电源模块向储能模块充电模式：储能模块与电源模块连接，储能模块与电磁线圈模块不连接；n极发射模式、s极发射模式与磁极识别模块的输出结果对应；磁极识别模块输出n极，储能模块与电磁线圈模块连接，发射模块为n极发射模式，电磁线圈模块中产生的磁场与磁弹同极相斥；磁极识别模块输出s极，储能模块与电磁线圈模块连接，发射模块为s极发射模式，电磁线圈模块中产生的磁场与磁弹同极相斥。

磁弹发射出去后配置能够吸附磁弹的吸磁目标靶；吸磁目标靶能够水平放置或垂直放置，水平放置为垂直于重力方向放置，垂直放置为重力方向放置；电磁线圈模块配置瞄准定位模块，将发射磁弹的方向延伸出去，并在吸磁目标靶上产生落点；电磁线圈模块配置水平检测模块，能够找到磁弹发射方向与重力方向垂直时的水平发射角度；水平检测模块使用水平泡，水平发射角度时，气泡出现在中间位置。

水平泡中气体的运动及受力分析；水平泡保持水平时，气泡出现在中间位置，如果水平泡突然向右有一个加速度运动，水平泡内的气泡将获得一个更大的加速度，气泡相对于水平泡向右运动。

电磁线圈模块能够调整磁弹的发射角度并能够测量记录此发射角度；储能模块配置直流电压表头模块，直流电压表头模块能够检测并显示储能模块的当前电压值，且直流电压表头模块经过隔离电源供电；电磁线圈模块经限流调节电阻、保护二极管接入磁悬浮直流电源，电磁线圈模块产生稳定的磁场用作磁悬浮演示，保护二极管确保只能磁悬浮直流电源向电磁线圈模块供电，而电磁线圈模块或储能模块无法流向磁悬浮直流电源；限流调节电阻能够改变磁悬浮直流电源通入电磁线圈模块中的恒定电流。

电源模块能够调整输出的电压值，以改变储能模块的电压值；储能模块包括至少两个储能元件，储能模块能够选择储能元件的数量，从而选择储能模块的容量；储能模块能够使用相同耐压等级的电解电容并联的方式得到。

电磁运动实验系统的培训方法，其特征是，利用电磁运动实验系统验证电学、磁学、运动学的理论知识；储能模块存储电荷、电能的原理；电源模块向储能模块充电的原理；发射模块的换向原理；霍尔效应的原理，磁极识别的原理；电磁线圈模块电感量计算方法；储能模块向电磁线圈模块放电产生强磁场，同磁极相斥推动磁弹发射的原理；发射后的磁弹运动轨迹分析，求解磁弹初速度的实验方法；选择给储能模块充入的不同电能，开展电磁运动转化效率实验。

储能模块向电磁线圈模块放电时，由于电磁线圈模块具有电感量，阻止储能模块向电磁线圈模块放电的速度；电磁线圈模块产生的磁场强度与通入的电流值、线圈匝数正比，线圈匝数越多就意味着电感量越大，阻止放电，电流越小；r为电磁线圈模块的线圈平均半径，l为电磁线圈模块的线圈长度，n为电磁线圈模块的线圈总匝数，k为长冈系数，d为电磁线圈模块的线圈厚度，c为由l/d决定的系数；真空磁导率μ0为4π×10^-7亨利/米；电磁线圈模块的电感量为μ0rn²[πrk–d(0.693+c)]/l；线圈层数、线圈每层匝数、线圈总匝数决定电感量与通入电流的平衡，学生设计电磁线圈模块的线圈合理结构；要求学生编程实现电磁线圈模块的电感量公式；给定所选择的电磁线圈模块参数：线圈长度、线圈总匝数、线圈厚度、线圈平均半径，计算电磁线圈模块的电感量，并检测电磁线圈模块的电感量，比较电感量的理论值与实测值。

当电磁线圈模块内部有磁芯时，有磁芯电磁线圈模块的电感量是空心线圈电感量的μr倍，μr是磁芯的相对导磁率；相对导磁率μr的测试方法很简单，只需把有磁芯的线圈和空心线圈分别进行测试，通过对比即可求出相对导磁率μr的大小。

k为长冈系数，由2r/l决定，取相邻两值中间数；当2r/l≤0.15时，k取值为0.96；当0.15<2r/l≤0.25时，k取值为0.92；当0.25<2r/l≤0.35时，k取值为0.88；当0.35<2r/l≤0.5时，k取值为0.85；当0.5<2r/l≤0.7时，k取值为0.79；当0.7<2r/l≤0.9时，k取值为0.74；当0.9<2r/l≤1.25时，k取值为0.69；当1.25<2r/l≤1.75时，k取值为0.6；当1.75<2r/l≤2.5时，k取值为0.52；当2.5<2r/l≤3.5时，k取值为0.43；当3.5<2r/l≤4.5时，k取值为0.37；当4.5<2r/l≤7.5时，k取值为0.32；当7.5<2r/l≤15时，k取值为0.20；当15<2r/l时，k取值为0.12。

c为由l/d决定的系数，取相邻两值中间数；当l/d≤2.5时，c取值为0；当2.5<l/d≤7.5时，c取值为0.23；当7.5<l/d≤15时，c取值为0.28；当15<l/d≤25时，c取值为0.31；当25<l/d时，c取值为0.32。

要求学生编程实现，给定三个输入参数：电磁线圈模块的线圈平均半径r，电磁线圈模块的线圈长度l，电磁线圈模块的线圈总匝数n，电磁线圈模块的线圈厚度d；计算2r/l，通过条件筛选语句得到长冈系数k；计算l/d，通过条件筛选语句得到系数c；真空磁导率μ0为常量；构建电磁线圈模块的电感量公式：μ0rn²[πrk–d(0.693+c)]/l。

给定所选择的电磁线圈模块参数：线圈长度16.6mm、线圈总匝数400、线圈厚度7mm、线圈平均半径10.5mm，计算电磁线圈模块的电感量1.900mh，并检测电磁线圈模块的电感量1.904mh，比较电感量的理论值与实测值。

求解磁弹射出时的动能实验；吸磁目标靶垂直放置，电磁运动实验系统与吸磁目标靶水平距离测量为l；电磁运动实验系统的电磁线圈模块水平时，瞄准定位模块在吸磁目标靶的落点高度为h1；发射磁弹时，电磁线圈模块的发射角度为仰角θ，瞄准定位模块在吸磁目标靶的落点高度为h2，磁弹射出后落在吸磁目标靶上的高度为h3；如果磁弹的重力作用完全忽略，那么磁弹的落点高度为h1，g为重力加速度，t为磁弹射出后的运行时间，因此重力产生的位移满足：h2–h3＝gt²/2；磁弹射出时的初速度为v0，水平位移满足：l＝v0tcosθ，tanθ＝(h2–h1)/l，磁弹射出时的初速度v0很容易通过l、h1、h2、h3四个参数求解得出；求解出磁弹射出时的初速度v0，已知磁弹的质量m，得到磁弹射出时所具有的动能mv0²/2，而该动能都是从电磁线圈模块的磁能获得，电磁线圈模块的磁能又来自于储能模块中的电能。

电磁运动参数研究和能量转化效率的实验；电磁运动实验系统所能够改变并记录的参数：储能模块容量c；发射时储能模块获得的电压u；发射磁弹的质量m；吸磁目标靶垂直放置，电磁运动实验系统与吸磁目标靶水平距离测量为l；电磁运动实验系统的电磁线圈模块水平时，瞄准定位模块在吸磁目标靶的落点高度为h1；发射磁弹时，电磁线圈模块的发射角度为仰角θ，瞄准定位模块在吸磁目标靶的落点高度为h2；磁弹射出后落在吸磁目标靶上的高度为h3；发射时储能模块所获得的电荷为cu，电能为cu²/2；而储能模块电解电容一瞬间向电磁线圈模块释放电能产生极大电流，极大电流在电磁线圈模块中产生极大磁场，使得磁弹产生一个极大的初速度飞射出去。

实验中，电磁线圈模块装入磁弹的发射管孔径为6mm，所采用的磁弹基本型号有两种：5mmx5mm和5mmx3mm，单个5mmx5mm磁弹重量m1，单个5mmx3mm磁弹重量m2，实验每次选择的磁弹能够是这两种的组合形式，得到不同质量的磁弹。

u、c、m、l、h1不变，改变h2，记录h3，计算得到磁弹初速度v0；u、c、l、h1、h2不变，改变磁弹质量m，记录h3，计算得到磁弹初速度v0；cu²/2、m、l、h1、h2不变，改变u、c，记录h3，计算得到磁弹初速度v0，比较u、c对的磁弹初速度v0影响。

能量转化效率的实验，能量转化效率为磁弹发射时的动能mv0²/2与磁弹发射前储能模块电能cu²/2之比；研究储能模块充入电能的电压u、容量c与能量转化效率的关系，电压u不变、磁弹质量m不变、水平距离l不变、h1、h2不变，改变不同容量c并记录磁弹发射后h3，求解出磁弹初速度v0，进而得到磁弹射出时的动能mv0²/2，求出能量转化效率；容量c不变、磁弹质量m不变、水平距离l不变、h1、h2不变，改变储能模块电压u并记录磁弹发射后h3，求解出磁弹初速度v0，进而得到磁弹射出时的动能mv0²/2，求出能量转化效率。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：第一、给学生提供一个电磁运动效果稳定的实验系统；第二、便于学生参与实践；第三、重在锻炼学生的思维能力、培养逻辑缜密的实验方法。

附图说明

图1为电磁运动实验系统；

图2为磁极识别模块。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，电磁运动实验系统包括：电磁线圈模块、储能模块、电源模块、磁弹，其特征是，电源模块给储能模块充电，储能模块向电磁线圈模块放电，电磁线圈模块通入电流后将磁弹发射出去。

电磁运动实验系统还包括磁极识别模块，磁极识别模块用于检测装入电磁线圈模块中发射的磁弹的磁极：n极或s极；如图2所示，磁极识别模块采用霍尔开关hall、识别电阻rs、识别发光二极管ds，霍尔开关hall三个端子：电源vcc、地gnd、识别输出out，识别电阻rs两端分别与电源vcc、识别输出out连接；识别发光二极管ds的正极与识别输出out相连，识别发光二极管ds的负极与地gnd相连。

电磁运动实验系统还包括发射模块，发射模块控制储能模块向电磁线圈模块放电的方向；发射模块有三个模式：电源模块向储能模块充电模式、n极发射模式、s极发射模式；电源模块向储能模块充电模式：储能模块与电源模块连接，储能模块与电磁线圈模块不连接；n极发射模式、s极发射模式与磁极识别模块的输出结果对应；磁极识别模块输出n极，储能模块与电磁线圈模块连接，发射模块为n极发射模式，电磁线圈模块中产生的磁场与磁弹同极相斥；磁极识别模块输出s极，储能模块与电磁线圈模块连接，发射模块为s极发射模式，电磁线圈模块中产生的磁场与磁弹同极相斥。

发射模块采用三端六脚双掷开关，从上到下从左到右，引脚为：左上1、左中2、左下3、右上4、右中5、右下6；电磁线圈模块，两个电极端；三端六脚双掷开关的引脚左上1、引脚右下6与电磁线圈模块的一个电极端相连；三端六脚双掷开关的引脚左下3、引脚右上4与电磁线圈模块的另一个电极端相连；三端六脚双掷开关的两个中间引脚：引脚左中2和引脚右中5，电源模块正极与中间引脚其中之一相连，电源模块负极与中间引脚的另一个引脚相连。

磁弹发射出去后配置能够吸附磁弹的吸磁目标靶；吸磁目标靶能够水平放置或垂直放置，水平放置为垂直于重力方向放置，垂直放置为重力方向放置；电磁线圈模块配置瞄准定位模块，将发射磁弹的方向延伸出去，并在吸磁目标靶上产生落点；电磁线圈模块配置水平检测模块，能够找到磁弹发射方向与重力方向垂直时的水平发射角度；水平检测模块使用水平泡，水平发射角度时，气泡出现在中间位置。

电磁线圈模块能够调整磁弹的发射角度并能够测量记录此发射角度，能够采用舵机实现；储能模块配置直流电压表头模块，直流电压表头模块能够检测并显示储能模块的当前电压值，且直流电压表头模块经过隔离电源供电。

电磁线圈模块经限流调节电阻、保护二极管接入磁悬浮直流电源，电磁线圈模块产生稳定的磁场用作磁悬浮演示，保护二极管确保只能磁悬浮直流电源向电磁线圈模块供电，而电磁线圈模块或储能模块无法流向磁悬浮直流电源；限流调节电阻能够改变磁悬浮直流电源通入电磁线圈模块中的恒定电流。

霍尔效应是指在均强磁场中放置一个矩形截面的载流导体，当磁场方向与电流方向垂直时，导体在与磁场、电流方向都垂直的方向上出现了电势差。这种现象称为霍尔效应，所产生的电势差称为霍尔电势差或霍尔电压。霍尔电压与电流、磁感应强度、长方体形导体的厚度都有关系。利用霍尔效应制成的元件称为霍尔元件。霍尔元件是一种重要的磁传感器。由于霍尔元件体积很小，能够用来制作探测磁场的探头，还能够用在与磁场有关的多种自动控制系统中。

电磁运动的弹道分析。设电磁线圈模块的炮管仰角为θ，初速度为v0，初始高度为h，把磁弹的运动分解为水平和竖直两个方向：x＝v0tcosθ，y＝v0tsinθ-gt²/2，消除t就可以得到电磁运动的磁弹轨迹方程：y＝xtanθ+h–gx²/(2v0²cos²θ)，所以磁弹的轨迹方程在不考虑空气阻力的作用下是一个抛物线，如果考虑空气阻力的话则可以近似考虑为抛物线。

我们所要进行电磁运动实验的第一个目标是求解磁弹的初速度v0，有如下困难点：磁弹发射的仰角难以准确测量，磁弹发射之后的落点因滑行、反弹等因素难以准确测量；对此，瞄准模块采用激光模块，激光平行放置在电磁线圈模块的炮管，瞄准模块还能够配置水平仪。

实验时，电磁运动实验系统与能够吸附磁弹的标靶水平距离测量为l；电磁运动实验系统的电磁线圈模块炮管水平时，瞄准模块的落点高度为h1；发射磁弹时，电磁线圈模块的炮管仰角为θ，瞄准模块的落点高度为h2，磁弹射出后落在标靶上的高度为h3，如果磁弹的重力作用完全忽略，那么磁弹的落点高度为h1，因此重力产生的位移满足：h2–h3＝gt²/2，水平位移满足：l＝v0tcosθ，tanθ＝(h2–h1)，磁弹发射时的初速度v0很容易通过l、h1、h2、h3四个参数求解得出；求解出初速度v0，已知磁弹的质量m，能得到磁弹发射时所具有的动能mv0²/2，而该动能都是从电磁线圈模块的磁能获得，电磁线圈模块的磁能又来自于储能模块中的电能。

电磁运动实验系统所能够改变并记录的参数：储能模块采用电解电容的容量c；发射时储能模块获得的电压u；电磁运动实验系统装入磁弹位置与能够吸附磁弹的标靶的水平距离l；所发射磁弹的质量m；电磁运动实验系统的电磁线圈模块炮管水平时，瞄准模块的落点高度为h1；发射磁弹时，电磁线圈模块的炮管仰角为θ，瞄准模块的落点高度为h2；磁弹射出后落在标靶上的高度为h3。

储能模块采用电解电容的容量c；发射时储能模块获得的电压u；储能模块所获得的电荷q为uc，电能为cu²/2，而储能模块电解电容一瞬间向电磁线圈模块释放电能产生极大电流，极大电流在电磁线圈模块中产生极大磁场，使得磁弹产生一个极大的初速度飞射出去。

还有第二种实验方法，瞄准模块与电磁线圈模块的炮管之间的角度能够调节，调节此角度，使得发射之后，磁弹的落点与瞄准模块的落点近似重合，这种方法需要多次实验才能调整得到较为准确角度，这会引入极大的重复误差，并非是优良的实验方案。

实验中，电磁线圈模块装入磁弹的发射管孔径为6mm，所采用的磁弹基本型号有两种：5mmx5mm和5mmx3mm，单个5mmx5mm磁弹重量m1，单个5mmx3mm磁弹重量m2，实验每次选择的磁弹能够是这两种的组合形式，得到不同质量的磁弹。