專利名稱：磁體與非磁性導(dǎo)體相互作用的實驗裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種實驗裝置，特別涉及一種磁體與非磁性導(dǎo)體相互作用的實驗裝置。
背景技術(shù)：
非磁性運動導(dǎo)體與靜止磁體或靜止非磁性導(dǎo)體與運動磁體間的相互作用效應(yīng)被廣泛應(yīng)用在磁懸浮軸承、磁制動剎車、磁阻尼抗震和非接觸驅(qū)動等裝置中。其相互作用的原理是基于二者在相對運動時產(chǎn)生的電磁感應(yīng)效應(yīng)。但該相互作用體系在一般的物理教科書中基本沒有涉及，國際上也僅有前蘇聯(lián)的物理學(xué)家朗道和美國的物理學(xué)家史密斯在電動力學(xué)中有過較系統(tǒng)的描述。關(guān)于運動磁體與非磁性導(dǎo)體相互作用力的實驗，由于一般條件下重力和摩擦力等外力的干擾，不容易獲得精確定量且可重復(fù)的實驗結(jié)果，因而在一般的大學(xué)物理實驗中很少有這類實驗開出，僅有一些定性的如永磁體在銅或鋁管中下滑或金屬在磁場中的阻尼擺動一類的演示實驗來展示電磁感應(yīng)產(chǎn)生的相互作用現(xiàn)象。
多年來人們在研究運動非磁性金屬與磁場的相互作用時，均采用旋轉(zhuǎn)的運動導(dǎo)體與磁體的作用方式。由于旋轉(zhuǎn)運動的引入，增加了實驗結(jié)果分析的復(fù)雜性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種結(jié)構(gòu)簡單、成本低的磁體與非磁性導(dǎo)體相互作用的實驗裝置。
為實現(xiàn)上述的目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是包括非磁性金屬氣墊導(dǎo)軌，非磁性金屬氣墊導(dǎo)軌的通道上設(shè)有多個光電門，非磁性金屬氣墊導(dǎo)軌上設(shè)有非磁性金屬滑塊，非磁性金屬滑塊上設(shè)有磁體，非磁性金屬滑塊的上部設(shè)有擋光片，光電門的輸出接到單片機處理電路。
上述的磁體與非磁性導(dǎo)體相互作用的實驗裝置中，所述磁體為永磁體。
上述的磁體與非磁性導(dǎo)體相互作用的實驗裝置中，所述的非磁性金屬氣墊導(dǎo)軌的截面為三角形，所述滑塊為人字形，滑塊的兩側(cè)均設(shè)有磁體。
上述的磁體與非磁性導(dǎo)體相互作用的實驗裝置中，所述光電門的間距是任意的。
上述的磁體與非磁性導(dǎo)體相互作用的實驗裝置中，所述的單片機處理電路由多選一模擬開關(guān)、CPU、顯示模塊、存儲器、擴展I/O模塊、鍵盤組成，多選一模擬開關(guān)輸入端接光電門的輸出，CPU分別與多選一模擬開關(guān)的輸出端、顯示模塊、存儲器、擴展I/O模塊、鍵盤相連。
一種磁體與非磁性導(dǎo)體相互作用的實驗裝置，包括非磁性金屬氣墊導(dǎo)軌，非磁性金屬氣墊導(dǎo)軌的通道上設(shè)有多個光電門，光電門的輸出接到單片機處理電路，非磁性金屬氣墊導(dǎo)軌上設(shè)有非磁性金屬滑塊，非磁性金屬滑塊的上部設(shè)有擋光片，在滑塊的路徑上設(shè)有至少一塊磁體。
本發(fā)明的有益效果本發(fā)明在傳統(tǒng)氣墊導(dǎo)軌實驗基礎(chǔ)上加以改進，既能進行原來的傳統(tǒng)氣墊導(dǎo)軌實驗，又能夠很好地由實驗分析永磁體與金屬導(dǎo)軌的相互作用力的規(guī)律，既增加了大學(xué)物理實驗的內(nèi)容，又大大減少的實驗設(shè)備投資的增加。同時，將該實驗項目引入物理實驗教學(xué)中，可起到開拓學(xué)生思維，加深學(xué)生對電磁感應(yīng)現(xiàn)象的認識作用，有助于培養(yǎng)學(xué)生探索創(chuàng)新的能力。
下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步的說明。


圖1為本發(fā)明實施例1的結(jié)構(gòu)圖。
圖2為圖1的A-A剖視圖。
圖3為本發(fā)明的單片機處理電路框圖。
圖4為本發(fā)明實施例2的結(jié)構(gòu)圖。
圖5為圖4的A-A剖視圖。
圖6本發(fā)明的永磁體在導(dǎo)軌內(nèi)產(chǎn)生的感應(yīng)電流示意圖。
圖7為不同時刻t測得的速度按(5)式擬合的結(jié)果。
圖8為磁阻尼力與運動速度的關(guān)系。
具體實施例方式
參見圖1、2，本實驗裝置包括三角形的非磁性金屬氣墊導(dǎo)軌1、等間距設(shè)置于非磁性金屬氣墊導(dǎo)軌的通道上的8個光電門5，氣墊導(dǎo)軌1上設(shè)有非磁性金屬滑塊2，滑塊兩側(cè)設(shè)有兩塊永磁體3，滑塊2的上部設(shè)有帶凹口的擋光片4，光電門5上設(shè)有光發(fā)射器6和光接收器7，光接收器7的輸出接到單片機處理電路。
參見圖3，單片機處理電路由兩個四選1模擬開關(guān)、CPU、顯示模塊、存儲器、擴展I/O模塊、鍵盤組成。本單片機處理電路的核心是89C55單片機。鍵盤用來設(shè)定實驗裝置的工作狀態(tài)和輸入非磁性金屬滑塊質(zhì)量、滑塊上擋光片的寬度等參數(shù)。八個光電門分成兩組，分別連接到一個四選一模擬開關(guān)(AD7501)上，它們的輸出分別聯(lián)到CPU的INT0和INT1，可以分別準(zhǔn)確地記錄滑塊到達各個光電門的時刻及通過它們的時間，采用兩路外部中斷的好處是可以區(qū)分滑塊滑動的方向，這樣單片機便能夠根據(jù)滑動方向依次選通相應(yīng)的光電通道。記錄完畢后，通過操作鍵盤，可以依次計算顯示滑塊在各個光電門處的時刻、速度、動量、動能，由這些數(shù)據(jù)，又可以計算描繪出滑塊的加速度以及所受到的阻力隨時間變化曲線。
本實驗裝置的工作原理當(dāng)帶有永磁體的滑塊在鋁合金的氣墊導(dǎo)軌上滑動時，金屬導(dǎo)軌內(nèi)感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場會反作用于滑塊上的磁體，使滑塊減速。在氣墊導(dǎo)軌旁安置數(shù)個光電門，光電門設(shè)有光發(fā)射和光接收器，當(dāng)滑塊上的擋光片經(jīng)過光電門時，光接收器接收不到信號，這樣可跟蹤記錄滑塊到達各個光電門的時刻和速度，再跟據(jù)已知滑塊的質(zhì)量、永磁體的磁場強度及尺寸等，就能夠很好地由實驗分析永磁體與金屬導(dǎo)軌的相互作用力的規(guī)律。
本實驗裝置中磁體的表面與鋁合金氣墊導(dǎo)軌表面是平行的，在磁體下方的垂直投影面積L0×W0內(nèi)導(dǎo)軌處的磁場強度為 ，在投影區(qū)外為零，即將磁通約束在磁體正下方的區(qū)域內(nèi)。當(dāng)磁體隨滑塊在氣墊導(dǎo)軌上運動時，導(dǎo)軌在磁體下方投影平面內(nèi)會產(chǎn)生垂直于運動方向的感應(yīng)電勢ε。若進一步將感應(yīng)電勢ε等效為電池的電動勢，將磁體垂直于軌道的投影平面L0×W0面積區(qū)域的導(dǎo)軌的電阻等效為電池內(nèi)阻r，該區(qū)域外的電阻等效為外部電阻R，則由全電路歐姆定律得到在導(dǎo)軌中由感應(yīng)電勢產(chǎn)生的總感應(yīng)電流為I＝ε/(R+r) (1)對于寬度為L0、速度為V的運動磁體，ε的定量關(guān)系可記為 感應(yīng)電流與磁場的的相互作用力 為
只考慮沿運動方向的分量，將變量分離后得dVV=-L02B02m(R+r)dt---(3)]]>積分后得到LnV-LnV0=-L02B02m(R+r)(t-t0)---(4)]]>令L02B02(R+r)=k,]]>到達第一個光電門的時間t0＝0，此時的速度記為V0，則得到任意時刻的速度為V＝＝V0e-kt/m(5)由(5)式可知，在運動磁體與金屬導(dǎo)軌相互作用感應(yīng)的阻尼力的作用下，滑塊按時間的負指數(shù)做減速運動。只要測出不同時刻的V和對應(yīng)的時刻t，將實驗數(shù)據(jù)按(4)或(5)式擬合，就可求得K值。求得K之后，由(3)式可求出任意時刻運動磁體受到的阻尼力Fρ=Maρ=m·dVρ/dt=-m·L02B02m(R+r)·Vρ=-KVρ=-KVρ0e-Kt/m---(6)]]>由(5)和(6)式可知，載有磁體的運動滑塊與金屬導(dǎo)軌間的作用力與磁體的磁感應(yīng)強度B0、磁體的寬度L0、金屬的電導(dǎo)率、滑塊的質(zhì)量及磁體的運動速度都有關(guān)。
由前面的式(5)可知，只要在多個點上測得滑塊的即時速度和到達該點的時間，將數(shù)據(jù)按式(5)得到k值，就可獲得任意時刻的加速度和阻尼力。通過改變磁體的數(shù)目，可調(diào)整等效內(nèi)阻r的大小，以控制作用力的合適強度。圖5是用實驗儀測得的數(shù)據(jù)及按(5)式擬合的結(jié)果。相關(guān)系數(shù)達0.99985，與理論推導(dǎo)的公式一致。圖6是由擬合的k和測得的V由 得到的磁阻尼力與速度的關(guān)系。由于氣墊導(dǎo)軌中(r+R)值的定量計算相當(dāng)繁瑣，考慮到磁體到導(dǎo)軌表面的距離(即導(dǎo)軌表面的磁感應(yīng)強度B0)、滑塊質(zhì)量M，磁體的尺度W0、L0和導(dǎo)軌尺寸等都是確定的，可由測得的k值通過(R+r)＝k/B02L02對難以定量計算的(r+R)值進行定量估算。
圖4、圖5為本發(fā)明實施例2的結(jié)構(gòu)圖，實施例2與實施例1的不同在于磁體3不是設(shè)置于滑塊2上，而是設(shè)置于滑塊2的滑動通道上，并盡量靠近滑塊2，此實施例的實驗原理和實施例1一樣，不過由于這時相對運動發(fā)生在滑塊與磁體間，所以是在滑塊中產(chǎn)生感應(yīng)電流，而不像在實施例1中那樣在氣墊導(dǎo)軌中產(chǎn)生感應(yīng)電流。其相互作用力也只在滑塊經(jīng)過磁體時存在。
權(quán)利要求
1.一種磁體與非磁性導(dǎo)體相互作用的實驗裝置，其特征在于包括非磁性金屬氣墊導(dǎo)軌，非磁性金屬氣墊導(dǎo)軌的通道上設(shè)有多個光電門，非磁性金屬氣墊導(dǎo)軌上設(shè)有非磁性金屬滑塊，非磁性金屬滑塊上設(shè)有磁體，非磁性金屬滑塊的上部設(shè)有擋光片，光電門的輸出接到單片機處理電路。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁體與非磁性導(dǎo)體相互作用的實驗裝置，其特征在于所述磁體為永磁體。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁體與非磁性導(dǎo)體相互作用的實驗裝置，其特征在于所述的非磁性金屬氣墊導(dǎo)軌的截面為三角形，所述滑塊為人字形，滑塊的兩側(cè)均設(shè)有磁體。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁體與非磁性導(dǎo)體相互作用的實驗裝置，其特征在于所述光電門的間距是任意的。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁體與非磁性導(dǎo)體相互作用的實驗裝置，其特征在于所述光電門的間距相等。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁體與非磁性導(dǎo)體相互作用的實驗裝置，其特征在于所述的單片機處理電路由多選一模擬開關(guān)、CPU、顯示模塊、存儲器、擴展I/O模塊、鍵盤組成，多選一模擬開關(guān)輸入端接光電門的輸出，CPU分別與多選一模擬開關(guān)的輸出端、顯示模塊、存儲器、擴展I/O模塊、鍵盤相連。
7.一種磁體與非磁性導(dǎo)體相互作用的實驗裝置，其特征在于包括非磁性金屬氣墊導(dǎo)軌，非磁性金屬氣墊導(dǎo)軌的通道上設(shè)有多個光電門，光電門的輸出接到單片機處理電路，非磁性金屬氣墊導(dǎo)軌上設(shè)有非磁性金屬滑塊，非磁性金屬滑塊的上部設(shè)有擋光片，在滑塊的路徑上設(shè)有至少一塊磁體。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的磁體與非磁性導(dǎo)體相互作用的實驗裝置，其特征在于所述的單片機處理電路由多選一模擬開關(guān)、CPU、顯示模塊、存儲器、擴展I/O模塊、鍵盤組成，多選一模擬開關(guān)輸入端接光電門的輸出，CPU分別與多選一模擬開關(guān)的輸出端、顯示模塊、存儲器、擴展I/O模塊、鍵盤相連。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的磁體與非磁性導(dǎo)體相互作用的實驗裝置，其特征在于所述的磁體為永磁體。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種磁體與非磁性導(dǎo)體相互作用的實驗裝置，包括非磁性金屬氣墊導(dǎo)軌，非磁性金屬氣墊導(dǎo)軌的通道上設(shè)有多個光電門，非磁性金屬氣墊導(dǎo)軌上設(shè)有非磁性金屬滑塊，非磁性金屬滑塊上設(shè)有磁體，非磁性金屬滑塊的上部設(shè)有擋光片，光電門的輸出接到單片機處理電路。本發(fā)明在傳統(tǒng)氣墊導(dǎo)軌實驗基礎(chǔ)上加以改進，這樣既能進行原來的傳統(tǒng)氣墊導(dǎo)軌實驗，又能夠很好地由實驗分析永磁體與金屬導(dǎo)軌的相互作用力的規(guī)律，加深學(xué)生對電磁感應(yīng)現(xiàn)象的認識作用，有助于培養(yǎng)學(xué)生探索創(chuàng)新的能力。
文檔編號G09B23/00GK1713244SQ200510031499
公開日2005年12月28日 申請日期2005年4月30日 優(yōu)先權(quán)日2005年4月30日
發(fā)明者王祝盈, 謝中, 陳小林, 翦知漸, 黃建剛, 謝曉, 周艷明 申請人:湖南大學(xué)