法拉第電磁感應定律探究儀的製作方法
2023-06-21 15:20:26
專利名稱：法拉第電磁感應定律探究儀的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種教學用實驗儀器，特別涉及一種用來演示、 定量探究法拉第電磁感應定律的實驗儀器。
技術背景法拉第電磁感應定律的主要內容是當迴路的磁通量發生變化 時，迴路中感應電動勢的大小和穿過迴路的磁通量變化率成正比。為 了讓學生對法拉第電磁感應定律進行精確的定量探究，常常需要讓學 生自己做實驗。實驗原理線圈的匝數、面積和磁鐵一定，穿過線圈 的磁通量的變化率與磁體運動的速度成正比。現有技術中常常是利用 永磁體從一定高度自由落下以獲得一定的速度穿過迴路，在迴路上產 生電動勢，利用數據採集系統對產生的電動勢進行實時測量和顯示， 通過增減永磁體的個數來改變磁通量的變化量，改變永磁體下降的高 度來改變磁鐵穿過線圈的速度(磁通量的變化率)進行實驗。可以讓 學生很直觀地從顯示中看到所產生的電動勢與各參數變化有關。但 是，其實驗原理有一個缺點，就是規格完全一樣的磁鐵疊加起來， 其周圍的磁感應強度並不是原來的2倍，磁鐵下落高度一定，磁鐵穿 過線圈的速度就一定，但穿過迴路的磁通量變化率卻不是2倍，此實 驗就不能進行精確的定量分析，只能定性或半定量分析。現有技術中 沒有測量速度的裝置，而是應用自由落體的運動學公式v = #推知 速度與高度的平方根成正比。由於無法精確確定磁鐵運動到什麼位置
時感應電動勢最大，也就無法精確確定高度的起點，高度的確定誤差 較大。因此，現有技術只能定性，盡多是半定量粗略地研究法拉第電 磁感應定律。 發明內容
本實用新型為解決現有法拉第電磁感應定律不能精確定量探究， 只能進行定性的分析的不足，提供一種能對法拉第電磁感應定律進行 精確定量探究的實驗方法。
本實用新型為解決其技術問題提供的技術方案是法拉第電磁 感應定律探究儀，包括數據採集器、電壓傳感器、速度傳感器、計算 機、線圏、永久磁鐵塊和永久磁鐵塊傳送系統；
電壓傳感器輸入端接線圈的兩端，將線圈內感應的電壓轉換為電 信號從輸出端輸出；
數據採集器的輸入端接電壓傳感器的輸出端，輸出端接計算機的 數據總線，將電壓傳感器上的電信號轉換成數位訊號；
速度傳感器安裝在線圃的一側，其輸出端接數據採集器的一個輸 入端；
計算機通過總線接數據採集器，其中控制總線接數據採集器控制 端，地址總線接數據採集器選通信號，數據總線接數據採集器的數據 輸出端；
線圈豎立在實驗臺架上，線圈的接頭與電壓傳感器的輸入端連
接；
一個永久磁鐵塊傳送系統，永久磁鐵塊固定在該傳送系統上，該 傳送系統穿過線圈，該永久磁鐵塊傳送系統包括傳動直流電機、傳送
帶、固定輪，傳動直流電機和固定輪固定在所述線圈的兩側，傳送帶 穿過線圈，兩端分別與傳動直流電機和固定輪連接。
在線圈的一側還安裝有一個速度傳感器，該測速傳感器可以是一 光電門，其輸出信號接數據採集器的輸入端。
傳動帶為皮帶，皮帶上有固定永久磁鐵的裝置，該傳動系統的動 力由電動機提供，此電動機為直流電動機，電動機的轉速可以通過改 變出入電壓的變化而改變。
本實用新型由於採用一個皮帶傳送帶帶動永久磁鐵穿過線圈，可 以通過測量或利用直流電機設定傳送帶的傳送速度來確定永久磁鐵 塊穿過線圈的速度，從而定量分析磁鐵穿過線圈的速度與所產生的感 應電動勢之間的關係，通過變換即可定量分析法拉第電磁感應定律所 反映的磁通量的變化率與感應電動勢成正比。以下結合附圖和實施例對本實用新型進一步說明。 圖h本實用新型信號流程圖 圖2:本實用新型示意圖
圖中l永久磁鐵塊，2線圈，3傳送帶，4傳動直流電機、5固定 輪。
具體實施方式
在
圖1中，當線圈中的磁通量發生變化時，在線圈中產生感應電 動勢，利用電壓傳感器將感應電動勢的大小傳送到數據採集器，數據 釆集器採集好數據通過計算機進行計算和顯示。
圖2中將永久磁鐵塊1固定在傳送帶上3,使永久磁鐵塊1隨傳
送帶3 —起穿過線圈2,用電壓傳感器記錄線圈2中的感應電動勢5， 傳送帶由傳動直流電機4帶動，傳動帶的另一端有一固定輪5。在靠 近線圈的一側安裝一個光電門用以測量永磁鐵穿過線圈時的速度。利用本實用新型進行法拉第電磁感應定律實驗時，將磁鐵1固定 在傳送帶3上，使磁鐵1隨傳送帶3—起穿過線圈2，用電壓傳感器 記錄線圈2中的感應電動勢E，同時用光電門記錄磁鐵的速度v,利 用朗威DIS Lab數據釆集器將五和v釆集通過數據總線輸入到計算 機中。由於磁鐵一定，線圈的面積一定，故磁通量的變化Zi ^和速度 v成正比。只要能驗證五與v成正比，就能說明法拉第電磁感應定律: 當迴路的磁通量發生變化時，迴路中感應電動勢的大小和穿過迴路的 磁通量變化率成正比。下表就是在實驗時保持線圈匝數不變的情況 下，通過改變傳送帶的速度測量不同速度時從計算機中顯示的電動勢 五與和磁鐵運動速度v，可以發現感應電動勢與永磁鐵穿過線圈的速 度在誤差範圍內是成正比的。感應電動勢￡" (V)速度v (m/s)10.600.13121.140.25932.160.517為了證明感應電動勢大小與線圈的匝數的關係，可以將線圈匝進 行變化，在線圈匝數不同時，永磁鐵以相同的速度穿過線圈，本實用新型實例將線圈匝數設計為1500匝，每500匝有一個中間抽頭，在 保持強磁鐵速度v不變的情況下，測出線圈匝數為500、 1000、 1500 對應的感應電動勢五、2五、3五，從而證明感應電動勢的大小與線圈 的匝數成正比。
權利要求1法拉第電磁感應定律探究儀，包括數據採集器、電壓傳感器、計算機、線圈、永久磁鐵塊；電壓傳感器輸入端接線圈的兩端，輸出端接數據採集器的一個輸入端；數據採集器的一個輸入端接電壓傳感器的輸出端，輸出端接計算機的數據總線，將電壓傳感器上的電信號轉換成數位訊號；計算機通過總線接數據採集器，其中控制總線接數據採集器控制端，地址總線接數據採集器選通信號，數據總線接數據採集器的數據輸出端；線圈豎立在實驗臺架上，線圈的接頭與電壓傳感器的輸入端連接；其特徵在於，還包括一個永久磁鐵塊傳送系統和一個速度傳感器，所述永久磁鐵塊固定在該傳送系統上，在該永久磁鐵塊上固定一個遮光片，速度傳感器安裝在線圈的一側，該速度傳感器的輸出端與所述數據採集器相連，可感受到永久磁鐵塊上固定的一個遮光片的運動，該速度傳感器的輸出端與所述數據採集器的一個輸入端相連，該傳送系統穿過線圈。
專利摘要法拉第電磁感應定律探究儀是在教學上用於給學生演示和讓學生分組實驗用的探究法拉第電磁感應定律的裝置。其技術方案是利用一個傳動帶帶動永磁鐵穿過線圈，對傳動輪的速度可以控制，以保證永磁鐵以不同的速度穿過線圈，產生不同的感應電動勢，定量探究法拉第定律。在以往各種版本的物理教材上，「法拉第電磁感應定律」都是經過定性研究後給出，沒有定量研究的教具，就不能讓學生在自己定量探究的前提下自己得出法拉第電磁感應定律，新教改提倡的探究式學習就不能在這節課上實施。本實用新型讓學生可以通過精確的實驗直觀地了解感應電動勢的大小，跟穿過線圈的磁通量的變化率成正比。
文檔編號G09B23/00GK201004283SQ200720118739
公開日2008年1月9日 申請日期2007年2月14日 優先權日2007年2月14日
發明者吳祥志 申請人:吳祥志