專利名稱：法拉第電磁感應(yīng)定律定量探究儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種電磁學(xué)教學(xué)儀器，尤其是涉及一種法拉第電磁感應(yīng)定律定量探究儀。
背景技術(shù)：
1831年法拉第發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象，但電磁感應(yīng)定律的數(shù)學(xué)公式是1845年諾埃曼經(jīng)數(shù)學(xué)推導(dǎo)給出的，法拉第電磁感應(yīng)定律是電磁學(xué)的重要內(nèi)容，也是中學(xué)物理教材的重要內(nèi)容。由于在現(xiàn)有的物理教材上，法拉第電磁感應(yīng)定律都是經(jīng)過定性研究后給出，沒有定量研究的教具，因此不能讓學(xué)生在自己定量探究的前提下自己得出法拉第電磁感應(yīng)定律，無法用控制變量法全面定量演示或探究法拉第電磁感應(yīng)定律E = n管。有關(guān)法拉第電磁感應(yīng)定律的教學(xué)演示儀器以及研究已有不少報道，例如 中國專利CN201707818U公開一種定量探究法拉第電磁感應(yīng)定律裝置具有一底座，底座上端固定安裝有一長直管，長直管底部管內(nèi)安裝有海綿墊，長直管的正面中部開有一定長度的窗口，窗口側(cè)邊刻畫有高度標(biāo)尺，長直管的下端外側(cè)繞有若干匝漆包線，漆包線不同匝數(shù)處具有若干抽頭，漆包線的抽頭連接到電壓傳感器，電壓傳感器連接到數(shù)據(jù)采集器，數(shù)據(jù)采集器連接到計(jì)算機(jī)；還具有一鐵棒，鐵棒外繞有若干匝漆包線，漆包線的兩端伸出鐵棒并與學(xué)生電源、電流表、滑動變阻器、電鍵開關(guān)通過導(dǎo)線串聯(lián)形成回路。中國專利CN201004283公開一種在教學(xué)上用于給學(xué)生演示和讓學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)用的探究法拉第電磁感應(yīng)定律的裝置。其技術(shù)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(chǎn)生不同的感應(yīng)電動勢，
定量探究法拉第定律。但是探究過程只能間接的方法來驗(yàn)證￡ OC ，方法繁瑣，驗(yàn)證E OC n
At
數(shù)據(jù)組數(shù)不夠，不夠科學(xué)和直觀。全日制普通高級中學(xué)教科書《物理》(必修加選修)第二冊(人民教育出版社2003年6月第I版)、普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書《物理》選修1-1 (人民教育出版社2004年5月第3版)和普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書《物理》選修3-2(山東科學(xué)技術(shù)出版社2008年8月第2版)給出的探究法拉第電磁感應(yīng)定律的實(shí)驗(yàn)裝置只能定性探究條形磁鐵插入或拔出線圈與感應(yīng)電流大小、方向之間的關(guān)系。取材容易，直觀。不能定量探究Eo^ η、Λ φ、I/ Δ t的關(guān)系。吳迪男等(吳迪男，吳祥志.法拉第電磁感應(yīng)定律數(shù)字化實(shí)驗(yàn)儀.物理實(shí)驗(yàn)，2009,10 20)報道的法拉第電磁感應(yīng)定律數(shù)字化實(shí)驗(yàn)儀的探究過程只能間接加推導(dǎo)的方法來驗(yàn)證電磁感應(yīng)定律，方法繁瑣。無法用控制變量法來定量探究E C η、Λ φ、 /Λ 的關(guān)系O吳月江(吳月江.法拉第電磁感應(yīng)定律的定量探究.教學(xué)儀器與實(shí)驗(yàn)，2010，10 14)報道的法拉第電磁感應(yīng)定律的定量探究的探究過程只能間接加推導(dǎo)的方法來驗(yàn)證電磁感應(yīng)定律，方法繁瑣。無法用控制變量法來定量探究E a η、Λ Φ、1/Λ 的關(guān)系。[0009]高守貴(高守貴.驗(yàn)證法拉第電磁感應(yīng)定律的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì).中學(xué)物理教學(xué)參考，2004,9)報道的驗(yàn)證法拉第電磁感應(yīng)定律的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，無法用控制變量法來定量探究E α η、Δ Φ,Ι/Δ 的關(guān)系。山東省遠(yuǎn)大網(wǎng)絡(luò)多媒體股份有限公司生產(chǎn)的法拉第電磁感應(yīng)實(shí)驗(yàn)器VI. O的線圈匝數(shù)只能改變?nèi)危ㄟ^比較比例關(guān)系間接探究E與η的關(guān)系，科學(xué)性不夠；另外，不能研究E與ΛΦ的關(guān)系，也無法用控制變量法來定量探究E ~ η、Λ Φ、1/At的關(guān)系。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于提供一種用控制變量法全面定量演示或探究的法拉第電磁感應(yīng)定律定量探究儀。本實(shí)用新型設(shè)有底座、斜面、勵磁小車、光電門、感應(yīng)線圈及電源、電壓傳感器、數(shù)據(jù)采集器；所述斜面固定在底座上，所述斜面設(shè)有斜面底板和斜面升降支架；所述勵磁小 車設(shè)有小車、電磁鐵支架、鐵芯、勵磁線圈、配重塊、勵磁線圈接線柱和擋光片，小車用于固定電磁鐵，勵磁線圈接線柱外接直流穩(wěn)壓電源，所述光電門設(shè)在光電門升降架上，所述光電門升降架用于調(diào)節(jié)光電門的高度，光電門與數(shù)據(jù)采集器連接，在感應(yīng)線圈底部設(shè)有感應(yīng)線圈底座和感應(yīng)線圈接線柱，感應(yīng)線圈接線柱外接電壓傳感器；所述電壓傳感器接數(shù)據(jù)采集器，所述數(shù)據(jù)采集器外接計(jì)算機(jī)。所述底座底部可設(shè)有固定腳，所述固定腳用于將底座卡在桌子邊緣，以防止勵磁小車撞擊感應(yīng)線圈時引起的移動。所述底座可采用20_的不銹鋼方管焊接而成。本實(shí)用新型通過在斜面不同高度自由下滑的小車、光電門、多匝線圈和配套的實(shí)驗(yàn)軟件，應(yīng)用控制變量法，采用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)手段實(shí)現(xiàn)了對公式E = η普的全面、直觀、精確、快捷的定量探究。可通過編寫程序，設(shè)計(jì)一鍵菜單快捷求出相關(guān)系數(shù)(8步變?yōu)镮步)，快捷給出擬合直線的方程和相關(guān)系數(shù)的定義，實(shí)現(xiàn)用計(jì)算機(jī)快捷記錄、處理、分析數(shù)據(jù)、輸出探究實(shí)驗(yàn)結(jié)果的目的，使本實(shí)用新型具有完善的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)功能。為“新課標(biāo)”下的教材提供配套的現(xiàn)代化的全面定量探究實(shí)驗(yàn)儀器，具有較高的實(shí)用價值。目前，普物實(shí)驗(yàn)、中學(xué)物理新舊教材(人教社、山東社、廣東社)、網(wǎng)絡(luò)資料、《高中理科教學(xué)儀器配備標(biāo)準(zhǔn)》和國內(nèi)新研制開發(fā)的數(shù)字化信息(DIS)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)等介紹的相關(guān)儀器中，有關(guān)揭示法拉第電磁感應(yīng)定律的實(shí)驗(yàn)裝置、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及其局限性的原因分析如下①不全面。所有實(shí)驗(yàn)裝置都存在無法用控制變量法全面定量演示或探究法拉第電磁感應(yīng)定律E = η普的不足。②定量少。所有實(shí)驗(yàn)裝置只能是定性演示或間接地驗(yàn)證法拉第電磁感應(yīng)定律，最多也只能間接定量探究E C 或f ^ P的關(guān)系，況且他們的實(shí)驗(yàn)方法繁瑣，實(shí)驗(yàn)結(jié)果不直觀。采用控量變換法實(shí)現(xiàn)五=η普的全面直觀定量探究包括三個方面①當(dāng)η、Λ Φ 不變時，E α Ι/At ;②當(dāng)η、At 不變時，E ^ Λ Φ ;③當(dāng)Λ Φ、At 不變時，E α η。[0023]與現(xiàn)有的法拉第電磁感應(yīng)定律教學(xué)演示儀器相比，本實(shí)用新型具有以下突出優(yōu)
占-
^ \\\ ·I)采用控制變量法及數(shù)字化實(shí)驗(yàn)手段實(shí)現(xiàn)分別直接定量探究公式E = η普中的E qC I/ Δ t> E qC ΔΦ、Ε°^η 的關(guān)系。2)設(shè)計(jì)在斜面不同高度自由下滑的小車、光電門，實(shí)現(xiàn)測量磁通量變化所對應(yīng)的時間Δ t,來定量探究E 00 I/ Δ t的關(guān)系的目的。3)設(shè)計(jì)勵磁小車，通過改變電磁鐵的電流來控制磁通量的大小，實(shí)現(xiàn)定量探究E Δ Φ的關(guān)系的目的?！?)設(shè)計(jì)若干多匝線圈，實(shí)現(xiàn)定量探究E a n的關(guān)系的目的。5)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)軟件的配套功能，編寫程序設(shè)計(jì)一鍵菜單快捷求出相關(guān)系數(shù)(8步變?yōu)镮步)、快捷給出擬合直線的方程和相關(guān)系數(shù)的定義，使本實(shí)用新型具有完善的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)功能。6)與同類項(xiàng)目相比，本實(shí)用新型數(shù)字化實(shí)驗(yàn)方法實(shí)現(xiàn)對電磁感應(yīng)定律的全面探究，且定量精確，直觀易懂，操作快捷，取材容易，成本低廉，體現(xiàn)用最簡單的方法實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的設(shè)計(jì)理念，為“新課標(biāo)”下的教材提供配套的定量探究實(shí)驗(yàn)儀器。7)可為課堂教學(xué)提供電磁感應(yīng)定律公式的定量演示，尤其可為高中生探究法拉第電磁感應(yīng)定律提供定量探究實(shí)驗(yàn)，改變“老師灌輸、同學(xué)死背公式”的現(xiàn)狀，彌補(bǔ)課本和實(shí)驗(yàn)配套的不足。

圖I為本實(shí)用新型實(shí)施例的結(jié)構(gòu)組成示意圖。圖2為本實(shí)用新型實(shí)施例的勵磁小車結(jié)構(gòu)組成示意圖。圖3為本實(shí)用新型實(shí)施例的感應(yīng)線圈結(jié)構(gòu)組成示意圖。
具體實(shí)施方式
參見圖I 3，本實(shí)用新型實(shí)施例設(shè)有底座I、斜面2、勵磁小車3、光電門4、感應(yīng)線圈5及電源、電壓傳感器、數(shù)據(jù)采集器；所述斜面2固定在底座I上，所述斜面2設(shè)有斜面底板和斜面升降支架21 ;所述勵磁小車3設(shè)有小車31、電磁鐵支架32、鐵芯33、勵磁線圈34、配重塊35、勵磁線圈接線柱36和擋光片37，小車31用于固定電磁鐵，勵磁線圈接線柱36外接直流穩(wěn)壓電源，所述光電門4設(shè)在光電門升降架41上，所述光電門升降架41用于調(diào)節(jié)光電門4的高度，光電門4與數(shù)據(jù)采集器連接，在感應(yīng)線圈5底部設(shè)有感應(yīng)線圈底座51和感應(yīng)線圈接線柱52，感應(yīng)線圈接線柱52外接電壓傳感器；所述電壓傳感器接數(shù)據(jù)采集器，所述數(shù)據(jù)采集器外接計(jì)算機(jī)。所述底座I底部可設(shè)有固定腳11，所述固定腳11用于將底座卡在桌子邊緣，以防止勵磁小車撞擊感應(yīng)線圈時引起的移動。所述底座I可采用20_的不銹鋼方管焊接而成。小車31采用摩擦力較小的四輪塑料小車，主要用來承載并固定電磁鐵，通過小車在斜面的不同高度下滑來改變擋光片的擋光時間，從而控制At的變化。電磁鐵支架32采用外徑30mm、長度246. 5mm的塑料水管做成,左端管內(nèi)裝有長度91mm的鐵芯33,在塑料管外有規(guī)則地纏繞直徑d = O. 25mm的漆包線，匝數(shù)為0-1000-2000-3000的勵磁線圈34，塑料管的右側(cè)安裝配重塊35用來平衡電磁鐵，使小車能穩(wěn)定地在有軌道的斜面上自由下滑。勵磁線圈接線柱36外接直流穩(wěn)壓電源，通過改變勵磁線圈的電流來改變電磁鐵的磁場強(qiáng)度，從而控制磁通量的變化。擋光片37裝在小車上，用來測量磁通量變化Λ Φ所對應(yīng)的時間Δ t,實(shí)現(xiàn)定量探究Ε°°1/Δ1、ΔΦ的關(guān)系的目的。感應(yīng)線圈可采用有機(jī)板制作2個內(nèi)外徑分別為47mm、80mm的圓環(huán)，再分別套在內(nèi)徑為36. 6mm、長度為84. 9mm的塑料管的兩端,作為纏繞漆包線的支架,然后在支架上有規(guī)則地繞上銅漆包線，并留出6個抽頭，匝數(shù)為0-2000-4000-6000-8000-10000匝。用有機(jī)玻璃板制作一個長、寬、高分別為100. 5,75,25. 3mm的長方體，一端開口作為感應(yīng)線圈的底座并在兩側(cè)面安裝6個抽頭的接線柱，實(shí)現(xiàn)定量探究E C n的關(guān)系的目的。本實(shí)用新型采用山東遠(yuǎn)大網(wǎng)絡(luò)多媒體公司生產(chǎn)的傳感器器件，并設(shè)計(jì)了法拉第電磁感應(yīng)定律的實(shí)驗(yàn)軟件，其界面具有以下幾點(diǎn)功能 ①實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表格界面具有了 At、Λ Φ、η的記錄功能，并能隱藏。②圖像界面功能能擬合E-I/ At、Ε-Δ Φ和Ε_η圖像,在圖像界面能分別對E_l/At、E_A Φ和E-n的線性擬合并給出相應(yīng)的直線方程。③具有E-l/Λt、E-ΛΦ、E-n圖像和相關(guān)系數(shù)r的快捷圖標(biāo)，使原來在excel表格中求相關(guān)系數(shù)要8步變?yōu)镮步的快捷方式,并對相關(guān)系數(shù)的定義給出了解釋。④將實(shí)驗(yàn)表格和圖像的界面分開，增大可見度，效果更直觀。使用時，將電壓傳感器、光電門傳感器與數(shù)字采集器連接，接通計(jì)算機(jī)。本實(shí)用新型的電流精度是O. 01A，匝數(shù)的精度是IN，擋光片擋光時間的測量精度是10_4s，由不確定度的計(jì)算公式求得感應(yīng)電動勢的不確定度為ΛΕ = O. 02V，即本實(shí)用新型的精度為O. 02V，因此選擇電壓傳感器測量精度O. OlV和電流表測量精度O. OlA是合適的。控制η、Λ φ不變，研究E與i的關(guān)系
At取電磁鐵電流I = O. 15A，感應(yīng)線圈匝數(shù)η = 10000Ν，讓小車在斜面的不同高度自由下滑，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在記錄表格自動記錄對應(yīng)的感應(yīng)電動勢大小和擋光時間At，點(diǎn)擊I/At
圖標(biāo)顯示At對應(yīng)的數(shù)值，探究I關(guān)系的數(shù)據(jù)表如表I所示。如點(diǎn)擊I圖像”圖標(biāo)
AtAt
進(jìn)入圖像功能界面畫出離散點(diǎn)，再點(diǎn)擊“線性擬合”圖標(biāo)擬合出直線，多次點(diǎn)擊“相關(guān)系數(shù)”
圖標(biāo)給出直線方程、相關(guān)系數(shù)的大小和定義，可得相關(guān)探究〃 -I關(guān)系的擬合圖像界面。
Ai表I探究€ - I關(guān)系的數(shù)據(jù)表
At
次數(shù) ~ Γ~2ΠδΠθ
E/V0 94 17521773 2Γθ62 342 39
~At/sO. 1074 0.0675 0.0588 0.0492 0.0446 0.0410~~I/At9.311 ~~14. 815~~17. 007 ~20. 325~~22. 422 24. 390~電壓U = I. 48V。結(jié)論相關(guān)系數(shù)r = O. 9963，在誤差范圍內(nèi)石0^ -J-。
At控制η、At不變，研究E與Λ Φ的關(guān)系
權(quán)利要求1.法拉第電磁感應(yīng)定律定量探究儀，其特征在于設(shè)有底座、斜面、勵磁小車、光電門、感應(yīng)線圈及電源、電壓傳感器、數(shù)據(jù)采集器；所述斜面固定在底座上，所述斜面設(shè)有斜面底板和斜面升降支架；所述勵磁小車設(shè)有小車、電磁鐵支架、鐵芯、勵磁線圈、配重塊、勵磁線圈接線柱和擋光片，小車用于固定電磁鐵，勵磁線圈接線柱外接直流穩(wěn)壓電源，所述光電門設(shè)在光電門升降架上，所述光電門升降架用于調(diào)節(jié)光電門的高度，光電門與數(shù)據(jù)采集器連接，在感應(yīng)線圈底部設(shè)有感應(yīng)線圈底座和感應(yīng)線圈接線柱，感應(yīng)線圈接線柱外接電壓傳感器；所述電壓傳感器接數(shù)據(jù)采集器，所述數(shù)據(jù)采集器外接計(jì)算機(jī)。
2.如權(quán)利要求I所述的法拉第電磁感應(yīng)定律定量探究儀，其特征在于所述底座底部設(shè)有用于將底座卡在桌子邊緣的固定腳。
3.如權(quán)利要求I所述的法拉第電磁感應(yīng)定律定量探究儀，其特征在于所述底座采用20mm的不銹鋼方管焊接而成。
專利摘要法拉第電磁感應(yīng)定律定量探究儀，涉及一種電磁學(xué)教學(xué)儀器。提供一種用控制變量法全面定量演示或探究的法拉第電磁感應(yīng)定律定量探究儀。設(shè)有底座、斜面、勵磁小車、光電門、感應(yīng)線圈及電源、電壓傳感器、數(shù)據(jù)采集器；斜面固定在底座上，斜面設(shè)有斜面底板和斜面升降支架；勵磁小車設(shè)有小車、電磁鐵支架、鐵芯、勵磁線圈、配重塊、勵磁線圈接線柱和擋光片，小車用于固定電磁鐵，勵磁線圈接線柱外接直流穩(wěn)壓電源，光電門設(shè)在光電門升降架上，光電門升降架用于調(diào)節(jié)光電門的高度，光電門與數(shù)據(jù)采集器連接，在感應(yīng)線圈底部設(shè)有感應(yīng)線圈底座和感應(yīng)線圈接線柱，感應(yīng)線圈接線柱外接電壓傳感器；電壓傳感器接數(shù)據(jù)采集器，數(shù)據(jù)采集器外接計(jì)算機(jī)。
文檔編號G09B23/18GK202534235SQ20122016865
公開日2012年11月14日 申請日期2012年4月19日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月19日
發(fā)明者蔡芯璐 申請人:蔡芯璐