一种对比式磁石缓降演示装置的制作方法

[0001]
本发明属于演示物理仪器制作领域，具体是一种对比式磁石缓降演示装置，可演示楞次定律、自由落体等运动过程。


背景技术：

[0002]
楞次定律（lenz's law）是一条电磁学的定律，可以用来判断由电磁感应而产生的电动势的方向。它是由俄国物理学家海因里希
·
楞次（heinrich friedrich lenz）在1834年发现的。楞次定律指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，又或者说感应电流的效果总是反抗引起感应电流的原因。楞次定律是电磁学内容中一个非常重要的物理定律，是高中乃至大学物理教学的重点也是难点，但由于其很抽象,学生难以真正理解其本质, 因此需要研发一款装置简单、参与度高、现象直观的教学仪器，不仅有利于激发学生学习兴趣，还可以提高学生的动手能力。
[0003]
现有演示楞次定律的实验装置，一般只用铜管来演示，并不能让学生直观观察磁石缓降的过程，且实验内容比较单一，没有对比度，不利于课堂演示和学生的观察，也不能很好地锻炼学生的动手能力和创新能力。又或者现有一些发明专利，只直观演示自由落体和楞次定律的简单现象，不能定量及定性测量，也不利于学生深入了解其物理原理与定律。


技术实现要素：

[0004]
针对现有技术的不足，为了提供一种更直观显示且便于观察、制作方法简便、演示效果更明显的楞次定律演示装置，本申请人根据多年教学实践经验，提出了一种对比式磁石缓降演示装置。利用本实验仪器可以直观演示铜管磁石缓降，自由落体，以及利用电解质溶液演示楞次定律且每个实验都可单独拆卸及操作，并且利用光电门、数据接收器等电子设备，更精准的测量出强磁铁在空心管中做自由落体以及楞次缓降两种下落过程所用的时间，并计算出相对应的速度等参量。
[0005]
依据本发明的技术方案，提供一种对比式磁石缓降演示装置，其包括由7根铝合金”口形”支撑框架组成的支架、四个滚轮，可移动支架、一根带小孔的空心铜管、一根中空且有夹层的的亚克力玻璃管，玻璃管外壁缠有闭合导电膜，导电膜外缠有10个带二极管的电磁线圈、一个带有磁铁的数字显示弹簧、四个同尺寸的强磁铁、两个光电门，配套的数据接收器、另一根铝合金”口形”支撑框架，可固定光电门、三个可接住磁铁的小盒、一个由两个铜环组成的小铜管，组成的对比式磁石缓降演示装置。7根铝合金“口形”支撑框架组成的支架中，底部四根以#型固定，其长度均为60cm，#型中的两根横梁固定在竖梁（平行于地面）内侧的中间位置，每个衔接处都用配套螺丝钉固定。两根长为100cm的支撑框（垂直于地面）固定在竖梁上侧中心处，连接处用配套螺丝钉固定。第七根支撑框，长60cm，固定在竖梁（垂直于地面）上方90cm处，且水平方向固定，同样用配套螺丝钉固定，用于固定演示楞次定律的管子;四个滚轮固定在整体支架中的底部竖梁处，每个位置在离端部3cm处；空心铜管竖直固定在上面横梁左侧10cm处；一根中空亚克力管竖直固定在横梁30cm处；一根外壁贴有
导电膜且带有夹层的亚克力管竖直固定在衡量右侧10cm处。其中三根管子用可自由拆卸的塑料夹子夹住固定，塑料夹子用金属细丝缠好固定；一个带有磁铁的数字显示弹簧可悬挂在上端横梁空隙处；另一根长100cm的铝合金”口形”支撑框架固定在整体支架中底部横梁三分之处且用螺丝钉固定，可固定光电门；两个光电门用螺丝固定在100cm长的竖直支架上，且两者相距50cm，同时连接配套的数据采集器；三个可接住磁铁的小盒粘贴在整体支架横梁上面，每个盒子相对应一个空心管，用于接收下落的磁铁。
[0006]
其中，铝合金”口形”支撑框架组成的支架下面安装四个滚轮，构成可移动支架；铝合金”口形”支撑框架宽2cm高2cm，中间“口”形区域宽6mm、高4mm。带均匀小孔的空心铜管的外径3cm、内径2cm、长90cm，其中每个小孔直径为5mm。亚克力玻璃管的外径3cm、内径2cm、长90cm。
[0007]
优选地，中空且有夹层的的亚克力玻璃管的夹层缝宽5mm、外壁厚15mm、内壁厚10mm、长90cm；夹层能够加入氯化钠或硫酸铜电解质溶液。
[0008]
优选地，闭合导电膜为透明的，直径为2cm、长90cm、厚0.05mm、方阻6欧/每平方米、针对波长为400~700纳米的可见光的透过率为83%，完全闭合于中空且有夹层的的亚克力玻璃管外壁外，导电膜外圈缠有带二极管的电磁线圈共10个。
[0009]
更优选地，带有磁铁的数字显示弹簧为便携式钩秤弹簧秤，其下端悬挂一个强磁铁。铝合金”口形”支撑框架固定有光电门，铝合金”口形”支撑框架长40cm、宽2cm、高2cm、中间“口”形区域宽6mm、高4mm。对比式磁石缓降演示装置配有有两个光电门及配套数据接收器。由两个小铜环组成的铜管的长10cm、外径3cm、内径2cm。
[0010]
进一步地，三个可接住磁铁的小盒均为能够放置磁铁的无盖且可抽拉式小盒，其直径为3.1cm、高为1.5cm。
[0011]
与现有技术相比，本发明仅仅使用一根中空且有夹层的的亚克力玻璃管，夹层可加入氯化钠或硫酸铜等电解质溶液，透明导电膜完全闭合于亚克力玻璃管外壁，导电膜外圈缠有带二极管的电磁线圈，就可以完成演示楞次定律、自由落体等运动过程。
[0012]
其一：实现了可视化效果。
[0013]
其二，可与自由落体相对比磁石在管中下降，速度会变慢很多，并利用光电门记录磁石下降延缓时间。
[0014]
其三，利用便携式带有磁铁的数字显示弹簧上显示器数字变化可直观演示楞次定律中，磁石下降过程的“来拒去留”现象。即闭合导体回路中的感应电流，其流向总是企图使感应电流自己激发的穿过回路面积的磁通量，能够抵消或补偿引起感应电流的磁通量的增加或减少。
[0015]
本发明装置允许设计的尺寸非常大，可以在学校教室环境或者展览馆、科技馆等大型场所进行展示。总之，本发明装置可以演示楞次定律中磁石缓降现象，互动性强。作为教学仪器具有较好的教学效果，作为科普仪器具有较强的科普性。
附图说明
[0016]
图1为依据本发明的对比式磁石缓降演示装置示意。
[0017]
图2为对比式磁石缓降演示装置中带有均匀小孔的铜管正面示意图。
[0018]
图3为对比式磁石缓降演示装置中的带有导电膜和螺线圈及二极管的亚克力管正
面放大结构示意图。
具体实施方式
[0019]
下面将结合本发明仪器中的附图，对本发明仪器实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明仪器中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。另外地，不应当将本发明的保护范围仅仅限制至下述具体结构或部件或具体参数。
[0020]
本发明的对比式磁石缓降演示装置包括7根铝合金”口形”支撑框架组成的整体支架，其中横梁可悬挂住演示楞次定律的铜管、演示自由落体的亚克力玻璃管、演示可视化楞次定律的带有夹层的亚克力玻璃管以及悬挂一带有磁铁的数字显示弹簧。另一铝合金”口形”支撑框架安装于底座后排支架之间，用于固定两只光电门。光电门与数据采集卡以及电脑连接，用于记录磁石下降时间。另一由两个铜环组成的小铜管与带有磁铁的数字显示弹簧演示楞次定律中的“来拒去留”现象，并且小铜管可放于在底座之间上卡槽上，以便于拆卸。支架底座上安装三个卡槽，用于接受自由落体及楞次定律中下落的磁石。
[0021]
具体地，本发明的对比式磁石缓降演示装置包括由7根铝合金”口形”支撑框架组成的支架，四个滚轮，可移动支架、一根带小孔的空心铜管、一根亚克力空心玻璃管、一根中空且有夹层的的亚克力玻璃管，外圈缠有10个带二极管的电磁线圈、一个带有磁铁的数字显示弹簧、四个同尺寸的强磁铁、两个光电门，配套的数据接收器、另一根铝合金”口形”支撑框架，可固定光电门、三个可接住磁铁的小盒、一个由两个小铜环组成的铜管组成的对比式磁石缓降演示装置。其中，对比式磁石缓降演示装置中7根铝合金”口形”支撑框架组成的支架下面安装四个滚轮，可移动支架；铝合金”口形”支撑框架长40cm、宽2cm、高2cm，中间“口”形区域宽6mm、高4mm。优选两根长30cm，更优选两根长50cm的支架用于底部支撑，以#型安装。两根长90cm的支架，装于两侧。一根长50cm支架作为横梁，可固定三根演示自由落体和磁石缓降管状实验装置。另一根长90cm的铝合金支架固定于底座后排支架中间,用于安装两只光电门。
[0022]
更具体地，对比式磁石缓降演示装置包括由7根铝合金“口形”支撑框架组成的支架、四个滚轮，可移动支架、一根带小孔的空心铜管、一根中空且有夹层的的亚克力玻璃管，玻璃管外壁缠有闭合导电膜，导电膜外缠有10个带二极管的电磁线圈、一个带有磁铁的数字显示弹簧、四个同尺寸的强磁铁、两个光电门，配套的数据接收器、另一根铝合金”口形”支撑框架，可固定光电门、三个可接住磁铁的小盒、一个由两个铜环组成的小铜管，组成的对比式磁石缓降演示装置；其中7根铝合金“口形”支撑框架组成的支架中，底部四根以#型固定，其长度均为60cm，#型中的两根横梁固定在竖梁（平行于地面）内侧的中间位置，每个衔接处都用配套螺丝钉固定；两根长为100cm的支撑框（垂直于地面）固定在竖梁上侧中心处，连接处用配套螺丝钉固定；第七根支撑框，长60cm，固定在竖梁（垂直于地面）上方90cm处，且水平方向固定，同样用配套螺丝钉固定，用于固定演示楞次定律的管子;四个滚轮固定在整体支架中的底部竖梁处，每个位置在离端部3cm处；空心铜管竖直固定在上面横梁左侧10cm处；一根中空亚克力管竖直固定在横梁30cm处；一根外壁贴有导电膜且带有夹层的亚克力管竖直固定在衡量右侧10cm处；其中三根管子用可自由拆卸的塑料夹子夹住固定，
塑料夹子用金属细丝缠好固定；一个带有磁铁的数字显示弹簧可悬挂在上端横梁空隙处；另一根长100cm的铝合金”口形”支撑框架固定在整体支架中底部横梁三分之处且用螺丝钉固定，可固定光电门；两个光电门用螺丝固定在100cm长的竖直支架上，且两者相距50cm，同时连接配套的数据采集器；三个可接住磁铁的小盒粘贴在整体支架横梁上面，每个盒子相对应一个空心管，用于接收下落的磁铁。
[0023]
优选地，对比式磁石缓降演示装置中有四个可移动滑轮，装于支架底部，可带动支架自由移动。对比式磁石缓降演示装置中有一便携式小型带有磁铁的数字显示弹簧，装于支架横梁上。弹簧下端悬挂一强磁铁。一个由两个小铜环组成的铜管，长，两者一起演示楞次定律中的“来拒去留”实验现象。用于演示楞次定律的带均匀小孔的空心铜管，其外径3cm、内径2cm、长90cm，其中每个小孔直径为5mm。可演示自由落体运动的带空心亚克力玻璃管，外径3cm、内径2cm、长90cm。演示可视化的磁石缓降过程的中空且有夹层的的亚克力玻璃管，夹层缝宽5mm，外壁厚15mm，内壁厚10mm，长90cm.外圈缠有带二极管的电磁线圈共10个,夹层可加入氯化钠或硫酸铜等电解质溶液。优选地，对比式磁石缓降演示装置中有两个光电门及配套数据接收器，用于接收磁铁下落过程所用时间。
[0024]
结合图1、图3、图3来具体阐述本发明，图中的标示具体如下：101：主体支架、102：外壁缠有闭合回路的导电膜，中空且有夹层的亚克力透明管，导电膜外缠有带二极管的电磁线圈、103：空心亚克力透明管、104：带均匀小孔且空心的铜管、105：圆柱形强磁铁、106：1根用于固定光电门的铝合金”口形”支撑框架、107：光电门、108：可以接住下落磁铁的小盒、109：可以移动整个支架的滚轮、110：固定三个亚克力管的固定阀、111：带有磁铁的数字显示弹簧、112：由两个铜环组成的小铜管、113：带有二极管的螺线圈、114：带抽拉式小盒可放置磁铁。其中，标注102带有导电膜且有夹层的管子用标注110塑料夹固定在标注101主体支架上方横梁左侧10cm处；标注103空心亚克力管用标注110塑料夹固定在标注101主体支架上方横梁左侧30cm处；标注104空心铜管用标注110塑料夹固定在标注101主体支架上方横梁右侧10cm处、标注114抽拉式小盒分别粘贴在三个空心管的上方，且标注105圆柱形磁铁分别放置其中；标注106铝合金管固定在整体支架101底部横梁上，且固定于标注103管子后面；标注107两只光电门用细铁丝固定于标注103上，且两个相距50cm、标注108三个小盒分别粘贴在整体支架101底部横梁上，且分别对应三个空心管，用于接收下落的磁铁；标注109四个可移动的小滑轮分别用螺丝固定在整体支架101底部竖梁上，且每个相距端部3cm、标注111带有磁铁的数字显示弹簧悬挂在整体支架上面横梁的空隙处、标注112由两个铜环组成的小铜管用标注110塑料夹固定在整体支架101底部横梁空隙处，与标注111一起演示楞次定律中的“来拒去留”现象、标注113带有二极管的螺线圈10个距离均匀地套在标注102带有导电膜的空心管外壁。
[0025]
其中，所述7根铝合金”口形”支撑框架组成的支架，铝合金”口形”支撑框架长40cm，宽2cm高2cm，中间“口”形区域宽6mm，高4mm。两根长30cm,两根长50cm，用于底部支撑，以#型安装。两根长90cm，装于两侧。一根长50cm，用于横梁。
[0026]
使用一根中空且有夹层的的亚克力玻璃管，夹层缝宽5mm，外壁厚15mm，内壁厚10mm，长90cm；外圈缠有带二极管的电磁线圈共10个，夹层可加入氯化钠或硫酸铜等电解质溶液。当磁石从管口上部释放后，可演示可视化的磁石缓降过程。
[0027]
所述有一根带均匀狭缝的空心铜管，优选外径3cm、内径2cm、长90cm；当小磁铁从
管顶滑落用于演示楞次定律。
[0028]
更进一步地，带空心亚克力玻璃管，外径3cm、内径2cm、长90cm；当小磁铁从管顶滑落，可演示自由落体运动。
[0029]
更进一步地，所述的对比式磁石缓降演示装置支架底部装有四个可移动滑轮，可带动整个实验装置自由移动。
[0030]
使用图1所示的对比式磁石缓降演示装置，可以进行下述技术方案的操作。
[0031]
技术方案一，用带均匀小孔的铜管演示楞次定律。
[0032]
观察磁石在铜管中缓降过程，把用带均匀小孔的铜管固定在支架横梁上，抽调铜管上方的挡板，使磁铁从上而下自由下落，通过小孔可观察到磁铁缓慢下降。
[0033]
技术方案二，用透明亚克力玻璃管演示自由落体。
[0034]
观察磁石的自由落体运动，把透明亚克力玻璃管固定在支架横梁上，抽调玻璃管上方的挡板，使磁铁从上而下自由下落，可直接观察磁石下降过程。
[0035]
技术方案三，演示可视化磁石缓降过程。
[0036]
用外壁缠有闭合回路的导电膜，且导电膜外缠有带二极管的电磁线圈，中空且有夹层的亚克力透明管，夹层可加入硫酸铜或氯化钠等电解质溶液，抽调玻璃管上方的挡板，使磁铁从上而下自由下落，可直接观察磁石缓降过程，同时观察到线圈上的二极管从上而下依次闪亮。
[0037]
技术方案四，用小铜管和带有磁铁的数字显示弹簧，通过观察数字的变化，可演示楞次定律中“来拒去留”实验原理。
[0038]
更具体地，如图1演示对比式楞次定律操作步骤如下。
[0039]
步骤一、先把主体支架101放置于平整地面上，并在支架底部放置好三个可接住磁石的接收盒108以及小铜管112。
[0040]
步骤二、依次在支架横梁左边固定好带均匀小孔的铜管104，在铜管顶部固定好放置磁石的可抽拉式小盒106，并把磁石105放置其内。
[0041]
步骤三、然后在支架横梁中间固定好演示自由落体的亚克力管103，在玻璃管管顶部固定好放置磁石的可抽拉式小盒106，并把磁石105放置其内。
[0042]
步骤四、在支架横梁右边固定好演示可视化磁石缓降的亚克力管103（完全闭合于中空且有夹层的的亚克力玻璃管外壁的导电膜115，导电膜外圈缠有带二极管的电磁线圈113共10个），在玻璃管管顶部固定好放置磁石的可抽拉式小盒106，并把磁石105放置其内。
[0043]
步骤五、把两只光电门107固定在整体支架中间的铝合金支架106上，并连接好数据采集器和电脑113。
[0044]
步骤六、同时抽掉装有磁石105的小盒114中的挡板，使三个磁石同时下落，观察磁石下落过程中的实验现象，并且打开两只光电门和电脑，同时记录数据。
[0045]
步骤七、把带有磁铁的数字显示弹簧111固定在整体支架衡量左边空隙中，手握小铜管112使其通过磁石并上下移动，可观察到带有磁铁的数字显示弹簧上的数字在变化。从而演示楞次定律中来拒去留现象。“来拒去留”是针对有阻碍相对运动的问题时使用，当磁石在铜管中下落时，主要原因是因为产生感应电流后，铜管变成通电导线处在磁场中受安培力阻碍相对运动，磁石刚下落，使原磁通量增加，就会阻碍原磁通的增加，当磁铁快离开铜管时，就会阻碍原磁通量的减少，直观显示在带有磁铁的数字显示弹簧上的数字变化。
[0046]
本发明仪器能够同时允许多人参与演示与楞次定律有关的实验，具有较强的互动性、趣味性，而且本发明仪器设计简单，演示内容丰富，现象明显直观，将极大提高学生学习的积极性。同时，作为一种科普仪器，极大提高市民对于科技的了解。
[0047]
以上所述，仅为本发明仪器的具体实施方式，但本发明仪器的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。本领域普通的技术人员可以理解，在不背离所附权利要求定义的本发明的精神和范围的情况下，可以在形式和细节中做出各种各样的修改。