专利名称：受电磁阻尼的落体运动实验仪的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种物理教学仪器，尤其与磁体在非铁质金属管中下落受电磁阻 尼运动情况的分析测量仪器有关。
背景技术：
当闭合导体与磁铁发生相对运动时，两者之间会产生电磁阻力，阻碍相对运动，这 一现象成为电磁阻尼现象。用楞次定律(Lenz law)可以解释这一现象，闭合导体中磁通量 发生变化时，回路中产生的感应电流产生的磁场总是阻止磁通量的变化，会阻碍两者的相 对运动，其阻力大小正比于磁体的磁感应强度、相对运动速度等物理量。磁体在非铁质金属 管中下落时，受管壁上感应电流产生的电磁阻尼，因而磁体运动情况与自由落体完全不同。现有的一些用于物理教学的实验仪器仅能定性地演示磁体下落时受电磁阻尼而 使运动迟缓的现象，这些实验虽然可以让磁体和普通金属块分别在不同的材料管中下落进 行对比，但只局限于定性的观察不同的运动情况，并不能定量地测量出磁体下落过程中的 速度和路程。
发明内容本实用新型的目的在于克服以上问题，可以客观地反映磁体在非铁质金属管中下 落时受管壁感应电流产生的电磁阻尼现象并可以定量地分析在不同的阻尼条件下磁体下 落的速度与路程的关系。本实用新型包括底座(1)，支柱(2)，光电探测器(3)，非铁质金属管(4)，光电探测 平台(5)，信号采集插座(6)，零点锁销(7)，计时显示器(8)，用于测试的夹心式复合磁体 (9)。支柱(2)固定在底座(1)上，光电探测平台(5)固定在支柱(2)上，非铁质金属管 (4)上按一定距离各打一对孔，零点锁销(7)置于非铁质金属管(4)上零点孔处，光电探测 器(3)固定在光电探测平台(5)上并置于非铁质金属管(4)的打孔处，计时显示器(8)连 接在信号采集插座(6)上。夹心式复合磁体(9)包括磁钢(10)，非铁质介质环(11)，两磁钢(10)隔着非铁质 介质环(11)吸合在一起。为了定量测量出磁体下落过程中的速度与路程，本实用新型采取的技术方案是(1)选择一根70cm的非铁质金属管，在上端以下8cm处沿直径方向打一对孔作为 零点并加上零点锁销，在零点以下2. 5，5，10，15，25，35，55cm处各打一对孔，在每对孔处安 装光电门作为测量点，测量出每点出的瞬时速度以及从零点到该点所经历的时间，便可验 证速度公式和路程公式，并求得阻尼系数β和极限速度ντ。为消除非铁质金属管管口的 边缘效应影响，非铁质金属管4上零点孔处设置零点锁销7，零点位置选择在上端管口以下 8cm处，并用一对活动销把落体锁定在零点，使落体从零点以零初速度下落。(2)为了方便地改变磁体的质量及阻尼系数，把磁体设计成“夹心式复合磁体”，即隔着一个非铁磁介质环而相互吸合的两块扁圆柱形磁钢。改变介质环的内径，或在环中填 充锡粒，可以改变落体的质量。介质环中填充锡粒，可以使落体质量分布比较均勻。(3)信号采集电路中，时钟信号产生Ims脉冲信号，门信号控制脉冲信号的个数， 通过4073与门进行计时，然后通过显示芯片显示在LED数码管上。时间精度要求是1ms，非 铁质金属管总长度70cm，磁体达到勻速状态时的速度约是0. lm/s，显示设计为四位。本实用新型与现有技术相比具有以下优点除了能定性观察磁体受电磁阻尼下落 迟缓的现象之外，还能定量测出下落磁体的速度、路程公式和阻尼系数，从数据上直观的说 明电磁阻尼现象的影响；另外，可以方便地改变磁体的质量，从而改变阻尼系数进行多次测 量。结构设计合理，操作简单，直观有效，实验数据准确。
图1是本实用新型“受电磁阻尼的落体运动实验仪”结构图；图2是磁体在非铁质金属管中的下落示意图；图3是“夹心式复合磁体”结构图和剖面图；图4是计时电路整体框图；图5是磁体高度为1. 980cm,质量为25. 75g的实验结果；图6是磁体高度为1. 980cm，质量为29. 20g的实验结果。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图，对本实用新型作进一步详细说明。本实用新型包括底座(1)，支柱(2)，光电探测器(3)，非铁质金属管(4)，光电探测 平台(5)，信号采集插座(6)，零点锁销(7)，计时显示器(8)，用于测试的夹心式复合磁体 (9)。夹心式复合磁体(9)包括磁钢(10)，非铁质介质环(11)，两磁钢(10)隔着非铁质介 质环(11)吸合在一起。实验所用非铁质金属管长为70cm，其外径为26mm，壁厚为2mm ；底座长为270mm， 宽为190mm ；立柱长为735mm ；平台长为170mm，宽为45mm ；实验所用非铁质介质环直径为 20mm，壁厚为2mm ；磁钢直径为5mm。以改变落体质量m的方法来改变阻尼系数β，在不同阻尼条件下测得y t和ν y的关系。以此来验证所导出的速度公式和路程公式，操作流程如下(a)按照图1将各部件连接，光电探测器置于探测状态；(b)选择图3中非铁质介质环(11)，将两磁钢吸合形成落体；(c)将落体置于图1中的非铁质金属管⑷中，并用零点锁销(7)锁住落体；(d)拔下零点锁销(7)，使落体下落，分别多次测量零点到各探测点的下落时间t， 并求平均值。(e)分别多次测量各探测点处落体经过的时间Δ t，并求平均值。(f)根据所测的t、At，以及落体自身的参数，计算出路程与时间y t及速度与 时间ν t的关系。受电磁阻尼的磁体下落速度公式为ν = vT(l-e_0t)[0031]式中ντ为极限速度，β为阻尼系数。磁体下落的路程公式为 实施例1 复合磁体夹层，h = 9. 80mm，总长度1 = 1. 980cm，两端面磁B = 270mT，重力加速 度 g =9. 794m/s2，质量 m = 25. 75g，测量y t关系 测量fy关系(瞬时速度) 测量ν t关系 v t与y t关系曲线如图5所示，阻尼系数β = 53. 82^。实施例2 复合磁体夹层，h = 9. 80mm,总长度1 = 1. 980cm,两端面磁B = 270mT,重力加速 度g = 9. 794m/s2，在夹层中添加锡粒，质量m2 = 29. 20g，测量y t关系 测量V、关系(瞬时速度) 测量V、关系[0050] v t与y t关系曲线如图6所示，阻尼系数β = 46.59^。 通过以上实施例可以验证本仪器的电路满足测量要求，实验操作简便，数据测量 准确易读；实验中测得的V、与广t的关系与理论公式相符合；可以测得极限速度vT并计 算算出阻尼系数β，与理论公式相符合，达到了对实验中产生的电磁阻尼现象进行定量测 量的效果。
权利要求一种受电磁阻尼的落体运动实验仪，它包括底座(1)，支柱(2)，非铁质金属管(4)，其特征在于它还包括用于测试的夹心式复合磁体(9)；支柱(2)固定在底座(1)上，非铁质金属管(4)在上端以下8cm处沿直径方向打一对孔作为零点，零点以下2.5，5，10，15，25，35，55cm处各打一对孔。
2.根据权利要求1所述的受电磁阻尼的落体运动实验仪，其特征在于它还包括夹心 式复合磁体(9)，由磁钢(10)和非铁质介质环(11)组成，两块磁钢(10)隔着非铁质介质环 (11)吸合在一起，介质环中可填充锡粒改变质量。
3.根据权利要求1所述的受电磁阻尼的落体运动实验仪，其特征在于非铁质金属管 (4)还包括零点锁销(7)，零点位置置于非铁质金属管(4)上零点孔处，并用一对活动销把 落体锁定在零点。
4.根据权利要求1所述的受电磁阻尼的落体运动实验仪，其特征在于它还包括光电 探测平台(5)，光电探测平台(5)固定在支柱(2)上。
5.根据权利要求1所述的受电磁阻尼的落体运动实验仪，其特征在于它还包括信号 采集插座(6)，信号采集插座(6)固定在底座(1)上。
6.根据权利要求1所述的受电磁阻尼的落体运动实验仪，其特征在于它还包括计时 显示器(8)，计时显示器(8)连接在信号采集插座(6)上。
7.根据权利要求4所述的受电磁阻尼的落体运动实验仪，其特征在于所述的光电探 测平台(5)，它还包括光电探测器(3)，光电探测器(3)固定在光电探测平台(5)上并置于 非铁质金属管(4)的打孔处。
专利摘要本实用新型涉及一种受电磁阻尼的落体运动实验仪，包括底座，支柱，光电探测器，非铁质金属管，光电探测平台，信号采集插座，零点锁销，计时显示器，用于测试的夹心式复合磁体，夹心式复合磁体包括磁钢、非铁质介质环，两磁钢隔着非铁质介质环吸合在一起。支柱固定在底座上，光电探测平台固定在支柱上，非铁质金属管上按一定距离各打一对孔，零点锁销置于非铁质金属管上零点孔处，计时显示器连接在信号采集插座上。本实用新型能定量测出下落磁体的速度、路程公式和阻尼系数，从数据上直观的说明电磁阻尼现象的影响；另外可以方便地改变磁体的质量以改变阻尼系数进行多次测量。操作简单，直观有效，实验数据准确。
文档编号G01P3/68GK201629078SQ20092025631
公开日2010年11月10日 申请日期2009年11月20日 优先权日2009年11月20日
发明者刘柯林, 朱育群, 李路, 王艳荣 申请人:三江学院