專利名稱：法拉第電磁感應(yīng)定律數(shù)字化實(shí)驗(yàn)儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于教學(xué)用具，供學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)或教師演示實(shí)驗(yàn)用，是定量探究、驗(yàn)證法拉 第電磁感應(yīng)定律用的一種數(shù)字化實(shí)驗(yàn)儀。
背景技術(shù)：
在法拉第電磁感應(yīng)定律的教學(xué)中，為了使學(xué)生更好地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究或者教師演示實(shí)驗(yàn)過 程，急需相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)儀器。目前各種教材中還沒有定量探究法拉第電磁感應(yīng)定律的實(shí)驗(yàn)，現(xiàn) 有技術(shù)還沒有達(dá)到推廣程度?，F(xiàn)有技術(shù)中的法拉第電磁感應(yīng)實(shí)驗(yàn)儀，只有法拉第電磁感應(yīng)定 律探究?jī)x(中國(guó)專利號(hào)ZL200720118739.8,授權(quán)公告日2008年1月9曰)是創(chuàng)新的，但其數(shù) 據(jù)采集系統(tǒng)完全借助于DIS實(shí)驗(yàn)室(DISLab)才能進(jìn)行，配套設(shè)施價(jià)格昂貴，而且實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是 通過DIS實(shí)驗(yàn)室中的電壓傳感器、光電門將線圈感應(yīng)出的電壓信號(hào)和光電門輸出的時(shí)間信號(hào)， 通過數(shù)據(jù)采集器將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，從而接入到外接計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示，也就是說， 只有"電磁感應(yīng)"部分是創(chuàng)新的。操作過程比較復(fù)雜，在一些用電不便、沒有計(jì)算機(jī)和DIS 實(shí)驗(yàn)室(DIS Lab)的地方，實(shí)驗(yàn)則無(wú)法進(jìn)行。還有，原有技術(shù)只能得出電動(dòng)勢(shì)與磁通量的變化
率成正比五oc^，而不能得出電動(dòng)勢(shì)與線圈匝數(shù)的正比關(guān)系，嚴(yán)格地說只能算是半定量。
綜上所述，法拉第電磁感應(yīng)定律探究?jī)x不能提供一種成本低廉，使用方便，且實(shí)驗(yàn)效率、 精確度比較高并且完全定量探究的設(shè)備，使這種教具的推廣遇到困難。因此，完善實(shí)驗(yàn)原理、 簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)步驟，提高實(shí)驗(yàn)效率，降低實(shí)驗(yàn)設(shè)備的成本和使用條件，使廣大農(nóng)村和偏遠(yuǎn)山區(qū)的 學(xué)生同樣可以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，是現(xiàn)階段技術(shù)創(chuàng)新的目標(biāo)。

實(shí)用新型內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的在于提供一種法拉第電磁感應(yīng)定律數(shù)字化實(shí)驗(yàn)儀，解決現(xiàn)有技術(shù)中設(shè) 備原理不完善、成本昂貴、操作復(fù)雜、不能真正定量探究、儀器使用依賴計(jì)算機(jī)和DIS實(shí)驗(yàn) 室(DIS Lab)等缺陷。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了以下技術(shù)方案法拉第電磁感應(yīng)定律數(shù)字化實(shí)驗(yàn)儀，包 括電磁感應(yīng)裝置、速度傳感器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，所述速度傳感器的輸出端連接數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 的匹配輸入端，所述電磁感應(yīng)裝置中的線圈的接頭連接數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的匹配輸入端，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的輸出總線連接在顯示屏的匹配輸入總線。所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由單片機(jī)和外圍匹配電 路搭接組成，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)經(jīng)過單片機(jī)和配套管理軟件進(jìn)行采集、計(jì)算后將線圈感應(yīng)出的電 動(dòng)勢(shì)和速度傳感器輸出的速度傳輸給顯示屏，在顯示屏上顯示出電動(dòng)勢(shì)和對(duì)應(yīng)的速度。
所述電磁感應(yīng)裝置包括磁鐵、線圈、塑料管、固定塊和彈簧，所述磁鐵裝入套有線圈的 塑料管中，磁鐵固定在固定塊上，固定塊的兩端連接彈簧，彈簧的另一端固定在塑料管兩端， 塑料管的兩端固定在支架上，使其成豎直狀態(tài)。
所述單片機(jī)為ATmegal6L-8PI單片機(jī)。
所述磁鐵為圓柱形釹鐵硼磁鐵；所述磁鐵的直徑為16mm，高為16mm。 所述線圈為3個(gè)100匝的繞組串聯(lián)組成，每個(gè)繞組都有接頭引出。
所述速度傳感器由遮光板和光電門組成，所述光電門(10)固定在支架上，所述遮光板固 定在固定塊上，并通過設(shè)置在塑料管上的狹縫伸到塑料管外，與光電門耦合。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉(規(guī)模生產(chǎn)100元以 內(nèi))，可以自行制造；不依賴計(jì)算機(jī)和DIS實(shí)驗(yàn)室(DIS Lab);真正做到定量探究；用4節(jié)千 電池供電，在不通電或沒有計(jì)算機(jī)的偏遠(yuǎn)農(nóng)村、山區(qū)同樣能使用；操作簡(jiǎn)單，數(shù)據(jù)處理速度 快，本實(shí)驗(yàn)儀器獲得8組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)僅需幾秒的時(shí)間，大大節(jié)省了教學(xué)時(shí)間。
以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步的闡述。
圖l是本實(shí)用新型的原理圖2是本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖3是本實(shí)用新型磁鐵以不同的速度通過線圈時(shí)，電動(dòng)勢(shì)隨時(shí)間變化的圖象；
附圖標(biāo)記1、磁鐵；2、線圈；3、速度傳感器；4、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；5、顯示屏；6、塑 料管；7、固定塊；8、遮光板；9、彈簧；10、光電門。
具體實(shí)施方式實(shí)施例1:
請(qǐng)參閱


圖1，是法拉第電磁感應(yīng)定律數(shù)字化實(shí)驗(yàn)儀的原理圖，該電磁感應(yīng)裝置中的線圈 感應(yīng)出的電動(dòng)勢(shì)和速度傳感器3感測(cè)到的速度，同時(shí)輸送給數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)4，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)4 經(jīng)過單片機(jī)和配套軟件進(jìn)行采集、計(jì)算后輸送給顯示屏5，從而從顯示屏5上可以讀出電動(dòng) 勢(shì)和速度。圖2是本實(shí)用新型法拉第電磁感應(yīng)定律數(shù)字化實(shí)驗(yàn)儀的結(jié)構(gòu)示意圖，法拉第電磁感應(yīng)定 律數(shù)字化實(shí)驗(yàn)儀，包括電磁感應(yīng)裝置、速度傳感器3、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)4和顯示屏5，電磁感應(yīng) 裝置中的線圈2的接頭連接數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)4的匹配輸入端，電磁感應(yīng)裝置中的速度傳感器3 的輸出端連接數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)4的匹配輸入端，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)4的輸出總線連接在顯示屏5的 匹配輸入總線。
數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)4由單片機(jī)和外圍匹配電路搭接組成，所述單片機(jī)為ATmegal6L-8PI單片 機(jī)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)4經(jīng)過單片機(jī)和配套管理軟件進(jìn)行采集、計(jì)算后將線圈2感應(yīng)出的電動(dòng)勢(shì) 和速度傳感器3輸出的速度傳輸給顯示屏5，在顯示屏5上顯示出電動(dòng)勢(shì)和對(duì)應(yīng)的速度。
電磁感應(yīng)裝置包括磁鐵l、線圈2、塑料管6、固定塊7和彈簧9。磁鐵l裝入套有線圈 2的塑料管6中，磁鐵1固定在固定塊7上，固定塊7的兩端連接彈簧9，彈簧9的另一端固 定在塑料管6兩端，塑料管6的兩端固定在支架上，使其成豎直狀態(tài)。
所述速度傳感器3由遮光板8和光電門IO組成，所述光電門(10)固定在支架上，所述遮 光板8固定在固定塊7上，并通過設(shè)置在塑料管6上的狹縫伸到塑料管6外，y光iii門(10)戰(zhàn)合。
在實(shí)驗(yàn)中用到的磁鐵1為直徑為16mm，高為16mm的圓柱形釹鐵硼磁鐵。 線圈2為3個(gè)100匝的繞組串聯(lián)組成，每個(gè)繞組都有接頭引出。
本實(shí)用新型法拉第電磁感應(yīng)定律數(shù)字化實(shí)驗(yàn)儀的實(shí)驗(yàn)原理為
在實(shí)驗(yàn)中，假設(shè)磁鐵在線圈中發(fā)生位移S ，所用時(shí)間"，平均速度為、貝lj， M = ^，
V
磁通量的變化率^ = ^。
S—定，磁通量的變化量/\0=02-^—定，貝U， Moc"
兩邊同取極限值，lim^oclimi7 = v，磁通量的瞬時(shí)變化率就與對(duì)應(yīng)的瞬時(shí)速度成正比。
A/—0 & 厶"0
如果能測(cè)出磁極每次在某一確定位置的速度與電動(dòng)勢(shì)，并且證明電動(dòng)勢(shì)與速度成正比的 話，也就同時(shí)證明了法拉第電磁感應(yīng)定律是正確的。
如圖3所示，磁極每次通過線圈時(shí)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)都有一個(gè)最大值，每次出現(xiàn)最大值時(shí)該磁
極應(yīng)該在同一確定位置，只需要求出磁極每次通過線圈時(shí)的最大值和與之對(duì)應(yīng)的速度，然后驗(yàn)證它們是否真的成正比就可以了。
本實(shí)用新型在實(shí)驗(yàn)教學(xué)使用時(shí)，用手拿住遮光板8，上提到一定位置后放手，磁鐵1依 靠彈簧9在塑料管6里作上下自由振動(dòng)，在線圈2中感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)。光電門IO可以測(cè)量出磁 鐵l運(yùn)動(dòng)的平均速度，近似為磁鐵1通過線圈2時(shí)的瞬時(shí)速度；同時(shí)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)4檢測(cè) 到線圈2感應(yīng)出的電動(dòng)勢(shì)和光電門IO感應(yīng)出的速度，并將電動(dòng)勢(shì)和速度分別轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào) 輸出給顯示屏5進(jìn)行顯示。
權(quán)利要求1.法拉第電磁感應(yīng)定律數(shù)字化實(shí)驗(yàn)儀，包括電磁感應(yīng)裝置、速度傳感器(3)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(4)，所述速度傳感器(3)的輸出端連接數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(4)的匹配輸入端，其特征在于還包括顯示屏(5)，所述顯示屏(5)的輸入總線連接數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(4)的輸出總線；所述電磁感應(yīng)裝置中的線圈(2)的接頭連接數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(4)的匹配輸入端；所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(4)由單片機(jī)和外圍匹配電路搭接組成；所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(4)經(jīng)過單片機(jī)和配套管理軟件進(jìn)行采集、計(jì)算后將線圈(2)感應(yīng)出的電動(dòng)勢(shì)和速度傳感器(3)輸出的速度傳輸給顯示屏，在顯示屏上顯示出電動(dòng)勢(shì)和對(duì)應(yīng)的速度。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的法拉第電磁感應(yīng)定律數(shù)字化實(shí)驗(yàn)儀，其特征在于所述電磁感應(yīng)裝 置包括磁鐵(l)、線圈(2)、塑料管(6)、固定塊(7)和彈簧(9)，所述磁鐵(1)裝入套有線圈(2) 的塑料管(6)中，磁鐵(1)固定在固定塊(7)上，固定塊(7)的兩端連接彈簧(9)，彈簧(9)的另一 端固定在塑料管(6)兩端，塑料管(6)的兩端固定在支架上，使其成豎直狀態(tài)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的法拉第電磁感應(yīng)定律數(shù)字化實(shí)驗(yàn)儀，其特征在于所述單片機(jī)為 ATmegal6L-8PI單片機(jī)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的法拉第電磁感應(yīng)定律數(shù)字化實(shí)驗(yàn)儀，其特征在于所述磁鐵(l)為圓柱形釹鐵硼磁鐵；所述磁鐵(l)的直徑為16mm，高為16mm。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的法拉第電磁感應(yīng)定律數(shù)字化實(shí)驗(yàn)儀，其特征在于所述線圈(2) 為3個(gè)100匝的繞組串聯(lián)組成，每個(gè)繞組都有接頭引出。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的法拉第電磁感應(yīng)定律數(shù)字化實(shí)驗(yàn)儀，其特征在于所述速度傳 感器(3)由遮光板(8)和光電門(10)組成，所述光電門(10)固定在支架上，所述遮光板(8)固定 在固定塊(7)上，并通過設(shè)置在塑料管(6)上的狹縫伸到塑料管(6)外與光電門(10)耦合。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種法拉第電磁感應(yīng)定律數(shù)字化實(shí)驗(yàn)儀，包括電磁感應(yīng)裝置、速度傳感器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和顯示屏，所述電磁感應(yīng)裝置中的線圈的接頭連接數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的匹配輸入端，所述速度傳感器的輸出端連接數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的匹配輸入端，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的輸出總線連接在顯示屏的匹配輸入總線。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)經(jīng)過單片機(jī)和配套管理軟件進(jìn)行采集、計(jì)算后將線圈感應(yīng)出的電動(dòng)勢(shì)和速度傳感器輸出的速度傳輸給顯示屏，在顯示屏上顯示出電動(dòng)勢(shì)和對(duì)應(yīng)的速度。本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，不依賴計(jì)算機(jī)和DIS實(shí)驗(yàn)室，用4節(jié)干電池供電，在不通電的偏遠(yuǎn)農(nóng)村、山區(qū)同樣能使用，儀器的數(shù)據(jù)處理速度快，操作簡(jiǎn)單。
文檔編號(hào)G09B23/18GK201383268SQ20092005314
公開日2010年1月13日 申請(qǐng)日期2009年3月23日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月23日
發(fā)明者吳迪男 申請(qǐng)人:吳迪男