一种安培力定量实验装置的制作方法

本发明涉及一种物理实验装置，并且特别涉及一种安培力定量实验装置。

背景技术：

探究安培力和各个相关物理量的关系，是高中物理教学中的一个重要实验，这在教育部新课程标准也有明确要求，全国普通高校招生考试说明也要求懂得运用安培力公式。而这个实验是个疑难实验。探究安培力公式f＝billsinθ内容：当b，l，θ不变时，f∝il；当il，l，θ不变时，f∝b；当b，il，θ不变时，f∝l；当b，il，l不变时，f与θ的关系，f和sinθ的关系。f——安培力，b——磁场强度，il——通过导线的电流强度，l：切割磁感线的有效长度，θ是磁场方向与电流方向的夹角，sinθ是θ角的正弦。

现有的物理教学设备中，尽管有不少人想研究比较全面、定量、直观、快捷测量安培力f大小跟各相关物理量(b、i1、l、sinθ、θ)关系实验仪，但总存在测量探究内容不全面、操作可控性差，不易推广问题，特别是没有可控性较好地演示安培力f与通电导体的电流与磁场方向夹角θ正弦曲线关系的实验设备。

技术实现要素：

为了解决现有技术中实验的内容不全面、操作可控性差不能可控性较好地演示安培力f与通电导体的电流与磁场方向夹角θ的关系，本发明提出了一种安培力定量实验装置，用于解决上述技术问题。

根据本发明的一方面提出了一种安培力定量实验装置，该装置包括线圈、电磁铁、转盘、支架、微力传感器、电流传感器、角度传感器和电源，支架包括底座、设置于底座上方的旋转支撑座和用于设置微力传感器的悬臂结构，转盘装设于旋转支撑座上，两个电磁铁设置于转盘上并分别与电源连接，角度传感器设置于支架底部用于检测转盘的旋转角度，线圈的一端悬挂于微力传感器底部并置于两个电磁铁的中间，电源、电流传感器和线圈串联形成第一回路，电源与电磁铁形成第二回路。该实验装置通过旋转盘、可变匝数线圈的巧妙设置，使其可以完成对安培力的定量实验演示，实现360度的磁场旋转，同时无需更换线圈，极大地提高了实验效率。

优选的，线圈为可变匝数线圈，可变匝数线圈采用抽头式线圈且至少设置有4个匝数的抽头。凭借可变匝数线圈的设置，可以通过不同的抽头实现不同匝数的线圈的试验，避免了频繁更换线圈的麻烦，提高实验效率。

进一步优选的，可变匝数线圈包括方形线圈支架，抽头设置于线圈支架悬挂微力传感器的一侧。凭借该设置能够更加方便实验人员完成线圈匝数的切换，避免被其他设备干涉。

优选的，转盘上设置有接线柱，接线柱贯穿转盘。接线柱的设置能够方便于导线的连接。

进一步优选的，电磁铁与接线柱在转盘的上端面通过导线连接，转盘下端面的接线柱与电源连接。设置于转盘底面的接线柱连接电源可以防止转盘旋转时导线与电磁铁缠绕，影响实验操作。

优选的，转盘上的两个电磁铁的n极和s极相对。凭借该设置能够保证磁场的有效性。

优选的，电源为可调低压数显电源，包括用于给第一回路供电的第一电源和用于给第二回路供电的第二电源。利用两个电源分开实现对两个回路的供电，可以便于分开调节两个电路的参数，实现更多不同的实验项目。

优选的，旋转支撑座为十字结构，且十字结构的相邻的两臂之间设置有加强部，转盘固定于旋转支撑座上，旋转支撑座中心设置有一轴承，且通过连接杆与设置于底座中部的角度传感器连接，悬臂结构固定于底座上，悬臂结构上可滑动地设置有用于夹持微力传感器的夹具。

进一步优选的，角度传感器为光电角度传感器，连接杆连接光电角度传感器与轴承。利用光电角度传感器与轴承的同轴设置，可以灵活转动、360度旋转、可精准的获得转盘的角度信息，保证实验数据的准确性、稳定性和有效性。

优选的，还包括计算机，电流传感器、角度传感器和微力传感器通过信号线接入计算机。凭借计算机设备的接入，可以直观的将各项参数同步至计算机上，进而转换为相应的实验数据图表，更好的实现对安培力的定量实验。

本发明的一种安培力定量实验装置，针对目前国内同一领域现有的安培力定量实验装置存在以下的问题：(1)仪器装置结构复杂；(2)受力线圈匝数单一使用时更换麻烦、且由于所要测量的安培力很小，选用微力传感器测量，但要制作可改变匝数的线圈往往其重量会超过微力传感器的量程，这是长期困扰人们的一个难题；(3)磁场强弱难以定量控制调节，若选用电磁铁提供励磁，虽然磁场强度可控性好，但当要提供旋转磁场时会遇到给电磁铁供电的导线缠绕于电磁铁四周而影响实验操作和实验测量，因为这个难题，所以很多人采用永磁铁(如“銣铁硼”)提供磁场，尽管用一块一块的永磁铁去叠加改变磁场强度但这也属于定性或半定量实验测量。目前国内使用电磁铁提供旋转磁场的装置只能小角度偏转，不能360度旋转，则它不能画出安培力f与通电导体的电流与磁场方向夹角θ的关系的正弦曲线图像(4)因为角度传感器难于装在旋转圆盘上方且若使用磁性角度传感器其测量准确性会受磁场干扰而影响，所以测量角度只能在装载磁铁的圆盘上刻画角度线，测量时只能依靠目视读数手动记录角度，其操作与处理数据麻烦，所以存在角度测量装置不够精准和可控性差，不能自动获取数据、不能360度旋转问题；(5)由于所测量的安培力很小，精确测量采用的微力传感器测量精度高其测量数据的稳定性如何实现又是很重要问题，这也是一个难题；(6)实验内容的不全面性等问题。

针对上述所述存在问题，本发明提出并实施解决问题的技术方案：(1)设置了可旋转的转盘支架解决了装置结构复杂，解决不能360度改变磁场方向的问题，从而解决了难以获得的安培力与磁场夹角θ的数据关系图的问题；(2)设置可变匝数的线圈解决了受力线圈匝数单一且需要频繁更换的技术问题，同时解决了实际使用时线圈重量和安培力总和不超出微力传感器量程的困难；(3)电磁铁置于旋转圆盘上方，设计了给电磁铁供电的导线从圆盘上方穿过圆盘底部走线，解决从圆盘上方走线，当圆盘旋转时导线会缠绕于电磁铁四周而影响操作和实验测量的难题。所以选用电磁铁提供磁场和数显电流电压可调电源，解决了磁场强度难以控制无法调节的技术问题；(4)设置角度传感器安装于旋转圆盘底部，其转轴旋转与圆盘同步旋转，解决了圆盘上方没有合适位置安装角度传感器的困难；(5)光电角度传感器和微力传感器的设置解决了测力装置、角度测量装置不够精准和可控性差的技术难题；(6)设计实验结果的呈现方式:计算机自动处理与获取数据，自动生成图像等，计算机界面呈现“数据+图像+方程+相关系数”，直观性、科学性好；(7)最终通过计算机的数据和图像输出，实现了全面、定量、直观、快捷地测量安培力和相关物理量之间的关系。

附图说明

包括附图以提供对实施例的进一步理解并且附图被并入本说明书中并且构成本说明书的一部分。附图图示了实施例并且与描述一起用于解释本发明的原理。将容易认识到其它实施例和实施例的很多预期优点，因为通过引用以下详细描述，它们变得被更好地理解。附图的元件不一定是相互按照比例的。同样的附图标记指代对应的类似部件。

图1是根据本发明的一个实施例的一种安培力定量实验装置的立体图；

图2是根据本发明的一个具体的实施例的支架的示意图；

图3是根据本发明的一个具体的实施例利用安培力定量实验装置获得的安培力与磁场强度的数据关系图；

图4是根据本发明的一个具体的实施例利用安培力定量实验装置获得的安培力与导体电流的数据关系图；

图5是根据本发明的一个具体的实施例利用安培力定量实验装置获得的安培力与导体长度的数据关系图；

图6是根据本发明的一个具体的实施例利用安培力定量实验装置获得的安培力与磁场夹角θ的数据关系图；

图7是根据本发明的一个具体的实施例利用安培力定量实验装置获得的安培力与sinθ的数据关系图。

关于附图标记的描述：1.支架；2.旋转支撑座；3.旋转盘；4.电磁铁；5.受力线圈；6.测力装置；7.测力装置支架；8.角度传感器；9.电源；10.计算机。

具体实施方式

在以下详细描述中，参考附图，该附图形成详细描述的一部分，并且通过其中可实践本发明的说明性具体实施例来示出。对此，参考描述的图的取向来使用方向术语，例如“顶”、“底”、“左”、“右”、“上”、“下”等。因为实施例的部件可被定位于若干不同取向中，为了图示的目的使用方向术语并且方向术语绝非限制。应当理解的是，可以利用其他实施例或可以做出逻辑改变，而不背离本发明的范围。因此以下详细描述不应当在限制的意义上被采用，并且本发明的范围由所附权利要求来限定。

图1示出了根据本发明的实施例的一种安培力定量实验装置的立体图。如图1所示，该装置包括。支架1、转盘3、电磁铁4、线圈5、测力装置6、测力装置支架7、角度传感器8、电源9和计算机10。其中，支架1上设置有可旋转的旋转支撑座2，旋转盘3固定于旋转支撑座2上，电磁铁4固定设置于旋转盘3的上端面，且两个电磁铁4的n极和s极交叉相对，以形成完整的磁场。测力装置6固定于测力装置支架7上，线圈5悬挂于测力装置6的下方，并且设置于两个电磁铁4之间形成的磁场中。角度传感器8设置于支架1的底部，通过连接杆与旋转支撑座2连接用以获得转盘3的旋转角度。还设置有两组电源9分别用于向电磁铁4和线圈5供电，还包括电流传感器，电流传感器、测力装置6和角度传感器8接入计算机10用以将数据装换成图表。利用旋转盘3承载电磁铁4，能够360度灵活旋转，角度传感器8自动获取角度数据，可控性好，并且利用计算机能够快捷、完整地拟合出f与θ正弦曲线关系图像。

继续参考图2，图2示出了本发明的一个具体的实施例的支架的示意图，如图2所示，支架1采用不锈钢方管焊接而成，上端面为“田”字形结构，辅以四个支脚形成支架1的主体结构，具体的，不锈钢方管规格为3cm*3cm，“田”字形结构的边长为35cm*35cm，支脚高度为15cm，该支架1的结构简单，稳定性强，体积也较小，可以通过焊接或者螺栓连接的方式组装而成。应当认识到，上述尺寸可以根据实际的实验装置的要求选择其他合适的尺寸大小和外形结构，同样可以实现本发明的技术效果。

在优选的实施例中，旋转盘3为木制圆盘，旋转盘3通过螺栓连接的方式固定于旋转支撑座2上，规格为直径35cm厚度1cm，采用木制圆盘可以减轻装置的重量又便于拆装，同时也可以满足强度要求，能够支撑电磁铁4。可替代的，旋转盘3除了为木制圆盘之外，还可以设置为其他的材料或者结构，例如亚克力材质的圆盘或者椭圆盘等，同样能够实现本发明的技术效果。

在具体的实施例中，旋转盘3设置有两接线柱，接线柱贯穿旋转盘3，用于电磁铁4的连接供电，在旋转盘3的上端面电磁铁4通过导线与接线柱连接，并且下端面的接线柱与电源9连接，具体的下端面的接线柱与电源9连接的导线长度被设置于满足当圆盘旋转360度时，该导线可以缠绕于旋转支撑座2和支架1之间，不会影响旋转，也不会被拉扯断裂，圆盘整体旋转灵活，轻松自如。本发明中导线长度为80cm。该设置解决了长期以来只能够小角度的偏转，无法实现360度的旋转的问题。

在具体的实施例中，旋转支撑座2的结构为“十”字结构，且相邻的两边之间还设置有加强部，用以加强对旋转盘3的支撑能力，避免因电磁铁4的重量过大导致旋转盘3倾倒等情况的发生。在“十”字结构的端部设置有与旋转盘3对应的固定孔，用以将旋转盘3固定于旋转支撑座2上，且“十”字结构的底部中心设置有轴承，使得旋转支承座2能够在支架1的上方平稳的转动。可替代的，旋转支承座2的结构除了采用“十”字结构之外，还可以为其他的支撑结构，例如“田”字形结构等，同样能够实现支撑旋转的效果。

在具体的实施例中，旋转支承座2的旋转直径以及旋转盘3的旋转直径小于支架1的上端面的边长，避免旋转盘3和旋转支撑座2在旋转的时候对悬臂结构7产生干涉，无法实现360度旋转。

在具体的实施例中，线圈5为可变匝数的线圈，具体为采用抽头式的可变匝数线圈，利用薄亚克力板做成一个方形的线圈支架，尺寸约6cm×13cm，同一支架绕线圈分成四组，即100匝、200匝、300匝、400匝，每一组各引出一个接线端，头尾共五个抽头，线圈五个接线抽头集中在线圈5上方与悬挂方向一致，不会影响电磁铁4及旋转盘3旋转时被碰到。采用该抽头式的可变匝数线圈可以节约更换线圈的时间，如果一个支架独立绕一组线圈，独立线圈不管是三组、四组，做实验时要更换线圈，这样既麻烦又浪费实验时间。本发明线圈设计五个抽头，实验时就有四组数据，描点拟合相关物理量关系的图线就比较科学。同一支架的线圈制作，国内他人研究一般都不超三组不同匝数的线圈，因为组别多会涉及线圈重量超出力传感器量程，三组实验数据描点画图其科学性相对欠缺一些。

在具体的实施例中，线圈的制作如果匝数和组别多，整个线圈的重量就更大，还需要判断是否超过测力装置6的称重量程，如果测力装置6精度高一些，其称重的量程就小一些，这时所制作的线圈重量就不能大。作为定量实验，如果测量精度越高，对数据的稳定性和准确性要求越高，整个仪器制作的难度就越高；反之难度就低。因为组别越多，所测量出来数据点就更多，描绘图像就相对准确、科学。根据本发明申请人的多次试验验证，采用4组线圈能够在最大化的保证实验数据点的要求的同时，保持测力装置6的高精度要求。

在优选的实施例中，测力装置6为微力传感器，精度为0.001n，能够提高测量的精度，进而获得的实验结果更加的准确和科学。应当认识到，对于实验精度要求不高的场景，可以选择其他的精度的测力装置，线圈5的匝数同理可以进行增加或者减少，同样能够实现本发明的技术效果。

在优选的实施例中，电源9为可调低压数显电流电压电源，电源、电流传感器和线圈串联形成第一回路，电源与电磁铁形成第二回路，分开设置的两个可调低压数显电源可以分开控制两个回路，进而实现电流、磁场强度的不同变换，以实现不同实验项目的参数。

在优选的实施例中，角度传感器8为光电角度传感器，相较于普通的磁性角度传感器，光电角度传感器在实验时可以不受磁场影响，获得的角度更加的精准。角度传感器8安装于支架1的底部中心，与轴承通过连接杆同轴心设置连接，进而会与旋转盘3和旋转支撑座2同步旋转，能够同步获得旋转盘3和旋转支撑座2的旋转角度，并通过信号线传输值计算机10上，自动实时获得旋转的角度，不需在旋转圆盘上刻画角度线，不需人工目视及手动记录角度数据。

在优选的实施例中，电磁铁4采用功率为300w的电磁铁，相较于永磁铁(如銣铁硼)，电磁的4的调整磁场强度可控性更好，无需采用刻度尺或者其他的辅助配件。

基于上述实验装置，表1示出了本发明的一个实施例的安培力定量实验装置可以进行的实验内容，用以验证安培力的计算公式中各项参数的关系：

表1：

安培力公式f＝billsinθ

f——安培力，b——磁场强度，il——通过导线的电流强度，l：切割磁感线的有效长度，θ是磁场方向与电流方向的夹角，sinθ是θ角的正弦。

探究安培力公式f＝billsinθ内容：

①当b，l，θ不变时，f∝il；

②当il，l，θ不变时，f∝b；

③当b，il，θ不变时，f∝l；

④当b，il，l不变时，f与θ的关系，f和sinθ的关系。

图3示出了本发明的一个具体的实施例利用安培力定量实验装置获得的安培力与磁场强度的数据关系图，如图3所示，当il，l，θ不变时，利用上述实验装置可以直观地探究f与b的正比关系(说明：∵b＝kib∴探究f∝ib)。

图4示出了本发明的一个具体的实施例利用安培力定量实验装置获得的安培力与导体电流的数据关系图，如图4所示，当b，l，θ不变时，利用上述实验装置可以直观地探究f与il的正比关系。

图5示出了本发明的一个具体的实施例利用安培力定量实验装置获得的安培力与导体长度的数据关系图，如图5所示，当b，il，θ不变时，利用上述实验装置可以直观地探究f与l的正比关系。

特别是探究f与θ的关系实验，本发明利用旋转盘360度旋转，在计算机软件直接拟合出f与θ的正弦曲线图像。图6示出了本发明的一个具体的实施例利用安培力定量实验装置获得的安培力与磁场夹角θ的数据关系图，如图6所示，当b，il，l不变时，探究f与θ的关系，实验现象如下：①从正弦曲线图形直观看出，当磁场方向与电流方向平行时，f为零，当磁场方向与电流方向垂直时，f值最大；②教科书上直接给出了安培力f与磁场方向与电流方向的夹角θ，然后用数学方法推导出f与θ关系。而本发明的实验装置的演示可以直观地看出f与θ成正弦曲线关系。③通过正弦曲线图像，可以得出任意角度θ对应安培力f的大小，包括安培力f方向的变化。

图7示出了本发明的一个具体的实施例利用安培力定量实验装置获得的安培力与sinθ的数据关系图，如图7所示，当b，il，l不变时，利用上述实验装置可以探究f与sinθ的正比关系。

定量实验探究结论：安培力大小与磁场强度、导体电流、导体长度、电流与磁场夹角正弦值成正比，在各物理量都为国际单位情况下，f安＝billsinθ。利用上述实验装置，教师讲解安培力与b、il、l、sinθ、θ的定量关系时就会非常轻松。学生对于实验结果有了感性认识，这对于学生理解和掌握安培力的公式也是非常有帮助的。

本发明的实验装置全面、定量、直观、快捷地测量安培力f大小跟个相关物理量(b、il、l、sinθ、θ)关系，f与b、il、l、sinθ、θ五个物理量关系，数据经电脑软件处理，快捷地在电脑屏幕上呈现出“表格数据+图像+方程+相关系数”，相比现有技术的实验更趋完美、操作更可控；特别是演示安培力f与通电导体的电流与磁场方向夹角θ正弦曲线关系的实验，本发明设计旋转盘承载电磁铁，能360度灵活旋转，光电角度传感器自动获取角度数据，可控性好，电脑快捷、完整地拟合出f与θ正弦曲线关系图像，解决了长期以来人们想解决的疑难实验问题。具有实验器材简单、演示目标明确、现象、数据、图像直观的优点。

显然，本领域技术人员在不偏离本发明的精神和范围的情况下可以作出对本发明的实施例的各种修改和改变。以该方式，如果这些修改和改变处于本发明的权利要求及其等同形式的范围内，则本发明还旨在涵盖这些修改和改变。词语“包括”不排除未在权利要求中列出的其它元件或步骤的存在。某些措施记载在相互不同的从属权利要求中的简单事实不表明这些措施的组合不能被用于获利。权利要求中的任何附图标记不应当被认为限制范围。