專利名稱：消地磁對(duì)安培定則實(shí)驗(yàn)的干擾的方法和采用該方法的儀器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種中學(xué)物理安培定則的實(shí)驗(yàn)的方法和采用該方法的儀器。

背景技術(shù)：
在中學(xué)物理安培定則的教學(xué)中所用的演示實(shí)驗(yàn)一直是奧斯特實(shí)驗(yàn)，但此實(shí)際很不理想，問(wèn)題在于它完全沒(méi)把安培定則表現(xiàn)出來(lái)。這一問(wèn)題，中國(guó)發(fā)明專利公開(kāi)號(hào)為CN1462987A
公開(kāi)日為2003年12月24日的“避地磁干擾單直導(dǎo)線安培儀”已能解決，但該儀器有個(gè)缺點(diǎn)，在做實(shí)驗(yàn)時(shí)直導(dǎo)線和小磁針轉(zhuǎn)動(dòng)的自由面都要做大角度的傾斜，如在地磁傾角為57°的北京就得傾斜33°，在上海要傾斜45°，在?？谝獌A斜67°，給學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的觀察帶來(lái)不便。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)現(xiàn)是為解決地磁場(chǎng)的水平分磁場(chǎng)對(duì)安培定則的實(shí)驗(yàn)的干擾的問(wèn)題提供一種消除地磁場(chǎng)的水平分磁場(chǎng)對(duì)安培定則的實(shí)驗(yàn)的干擾的方法和采用該方法的安培定則演示器。
1、消除地磁場(chǎng)的水平分磁場(chǎng)對(duì)安培定則的實(shí)驗(yàn)的干擾的方法。
一塊磁體板的N極與另一塊完全相同的磁體板的S極相互正對(duì)，在其正中間的局部空間內(nèi)產(chǎn)生的勻強(qiáng)磁場(chǎng)的磁感強(qiáng)度與地磁場(chǎng)的水平分磁場(chǎng)的磁感強(qiáng)度大小相等方向相反，矢量和為0，從而消除了地磁的水平分磁場(chǎng)，于是形成一無(wú)任何水平方向的磁場(chǎng)而只有地磁場(chǎng)的豎直分磁場(chǎng)的局部空間。在此局部空間里，中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中通常使用的小磁針，傳統(tǒng)的小磁針處于隨遇平衡狀態(tài)。
在穿過(guò)此局部空間中心的豎直直導(dǎo)線中有電流時(shí)，原本在此局部空間內(nèi)處于隨遇平衡狀態(tài)的小磁針的N極就要轉(zhuǎn)到并停駐在該電流在其所在處所產(chǎn)生的磁場(chǎng)的方向上。其實(shí)這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果正是安培定則的直接展現(xiàn)，就是本發(fā)現(xiàn)要達(dá)到的結(jié)果，也正是奧斯特實(shí)驗(yàn)完全達(dá)不到的。
2、安培定則演示器 此儀器是由消除地磁場(chǎng)的水平分磁場(chǎng)的裝置；提供方向豎直向上或向下的直線電流的裝置；顯示直線電流在空間各處產(chǎn)生的磁場(chǎng)的方向的小磁針和輔助對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行觀察的觀察器等四個(gè)部件所組成。



下面結(jié)合附圖和實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
圖1示出地磁場(chǎng)的分解。
圖2示出二塊完全相同的磁體板，一塊的N極與另一塊的S極相互正對(duì)，有共同的軸線。
圖3示出N極與S極相互正對(duì)的二塊磁體板的正中間產(chǎn)生一勻強(qiáng)磁場(chǎng)的局部空間(由虛線框出的)。
圖4示出二磁體板共同產(chǎn)生的勻強(qiáng)磁場(chǎng)的磁感強(qiáng)度與地磁場(chǎng)的水平分磁場(chǎng)的磁感強(qiáng)度大小相等方向相反。
圖5示出在局部空間內(nèi)已無(wú)任何水平方向的磁場(chǎng)而只有地磁場(chǎng)的豎直分磁場(chǎng)。
圖6示出在本發(fā)明中，用以顯現(xiàn)豎直直導(dǎo)線中的電流在空間各處產(chǎn)生的磁場(chǎng)的方向的小磁針。
圖7示出觀察器的基本構(gòu)造。
圖8示出在沒(méi)有任何水平方向的磁場(chǎng)而只有地磁場(chǎng)的豎直分磁場(chǎng)的局部空間里做安培定則的實(shí)驗(yàn)的情況。
圖9示出消除地磁場(chǎng)的水平分磁場(chǎng)的裝置。
圖10示出提供方向豎直向上或向下的直線電流的裝置。
圖11示出安培定則演示器的整體構(gòu)造。
圖12示出安培定則演示器的整體的方位的調(diào)整。
圖13示出二磁體板共同產(chǎn)生的勻強(qiáng)磁場(chǎng)的磁感強(qiáng)度的大小的調(diào)整。
圖14示出用安培定則演示器做的一個(gè)直接把安培定則和直線電流的磁場(chǎng)在空間分布的規(guī)律展現(xiàn)出來(lái)的實(shí)驗(yàn)。

具體實(shí)施例方式 圖1示出地磁場(chǎng)的分解。地磁場(chǎng)的磁感強(qiáng)度為BG1，其水平分磁場(chǎng)的磁感強(qiáng)度為BH2而其豎直分磁場(chǎng)的磁感強(qiáng)度為Bv3。圖中箭頭所指的“磁北”方向就是在地磁場(chǎng)中指南針的N極所指的方向，實(shí)質(zhì)上就是地磁場(chǎng)的水平分磁場(chǎng)的磁感強(qiáng)度BH2的方向。
圖2示出磁體板4的N極與磁體板5的S極相互正對(duì)，它們有共同的軸線6。
圖3示出在N極與S極相互正對(duì)的磁體板4與磁體板5的正中間產(chǎn)生一人為的磁感強(qiáng)度為BM8的勻強(qiáng)磁場(chǎng)的局部空間7(由虛線框出的)，局部空間7的中心13在磁體板4與磁體板5之間的一段軸線6的中點(diǎn)。
圖4示出把人為的勻強(qiáng)磁場(chǎng)的局部空間7內(nèi)的磁感強(qiáng)度BM8調(diào)整到與地磁場(chǎng)的水平分磁場(chǎng)的磁感強(qiáng)度BH2大小相等方向相反。
圖5示出磁感強(qiáng)度BM8與磁感強(qiáng)度BH2的矢量和為0。在局部空間7內(nèi)的地磁場(chǎng)的水平分磁場(chǎng)被消除而只有地磁場(chǎng)的豎直分磁場(chǎng)(磁感強(qiáng)度為Bv3方向向下)。
圖6示出在本發(fā)明中用以顯現(xiàn)直線電流在其周圍各處產(chǎn)生的磁場(chǎng)的方向的小磁針9。小磁針9就是在中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中通常使用的、傳統(tǒng)的、教育部部標(biāo)產(chǎn)品代碼為J11006的，長(zhǎng)為2.8厘米的菱形小磁針。小磁針9的磁針座12必須放在水平的臺(tái)面上，頂針11必須是豎直的，小磁針9靠頂針11的支撐才得以自由轉(zhuǎn)動(dòng)，頂針11的針尖就頂在小磁針9的支點(diǎn)上，支點(diǎn)在銅頭10內(nèi)。小磁針9轉(zhuǎn)動(dòng)的自由面是水平的。
小磁針9最重要的技術(shù)特征是在地磁場(chǎng)的作用下其針體保持水平而其N極指向磁北方向。確切地說(shuō)，小磁針9的重要特征是在地磁場(chǎng)的豎直分磁場(chǎng)(磁感強(qiáng)度為Bv3)的作用下其針體保持水平；在地磁場(chǎng)的水平分磁場(chǎng)(磁感強(qiáng)度為BH2)的作用下其N極轉(zhuǎn)到并停駐在地磁場(chǎng)的水平分磁場(chǎng)(磁感強(qiáng)度為BH2)的方向上。小磁針9之所以在地磁場(chǎng)的豎直分磁場(chǎng)(磁感強(qiáng)度為Bv3)的作用下，其針體保持水平，是因?yàn)槠溽橌w在水平狀態(tài)時(shí)，地磁場(chǎng)的豎直分磁場(chǎng)對(duì)它作用的力偶矩與重力場(chǎng)對(duì)它作用的力偶矩恰好平衡，而且是穩(wěn)定平衡，這一點(diǎn)在設(shè)計(jì)小磁針9時(shí)就是如此安排的。小磁針9的N極之所以能轉(zhuǎn)到并停駐在地磁場(chǎng)的水平分磁場(chǎng)的方向上是因其轉(zhuǎn)動(dòng)的自由面是水平的。
把具有如此重要技術(shù)特征的小磁針9放到圖5所示的只有磁感強(qiáng)度為Bv3而方向豎直向下的磁場(chǎng)但無(wú)任何水平方向的磁場(chǎng)的局部空間7中，其針體保持水平而其N極可停駐在任何水平的方向上，也就是說(shuō)小磁針9處于隨遇平衡狀態(tài)。
圖7中有觀察器14的主視圖、俯視圖、左視圖和仰視圖。
觀察器14是個(gè)邊長(zhǎng)為15厘米的正方形薄板。通過(guò)其中心圓孔16穿到豎直直導(dǎo)線20的近中點(diǎn)處，彈簧夾19緊緊夾住直導(dǎo)線20使其固定在豎直直導(dǎo)線20的近中點(diǎn)處而且與豎直直導(dǎo)線20垂直，如圖8與圖11所示。
觀察器14有二個(gè)作用 其一是做為承載小磁針9的一個(gè)水平臺(tái)面； 其二是輔助對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行觀察和分析。
刻在觀察器14的板面上的同心圓17(也是磁感線17)與射線18共同組成小磁針9在觀察器14的平面上的位置座標(biāo)的參照系。
圖8示出一個(gè)直接把直線電流的磁場(chǎng)在空間分布的規(guī)律和安培定則展現(xiàn)出來(lái)的實(shí)驗(yàn)。觀察器14上的每一個(gè)小磁針9的N極所指的方向都與其所在的同心圓17(也是磁感線17)相切而與其所在的射線18垂直。握直導(dǎo)線20的右手的拇指指電流I的方向，則其余四個(gè)手指的指尖共同分別指向各個(gè)小磁針9的N極所指的方向。其實(shí)各個(gè)小磁針9的N極所指的方向就是直導(dǎo)線20中的直線電流在其所在處所產(chǎn)生的磁場(chǎng)的方向。所以說(shuō)若握直導(dǎo)線20的右手的拇指指電流I的方向則彎曲的四個(gè)手指所指的方向就是磁感線17的環(huán)繞方向。
此實(shí)驗(yàn)的核心部分是在圖5所示的局部空間7內(nèi)。觀察器14和分布在其上面的小磁針9都在局部空間7內(nèi)。小磁針9的磁針座12都放置在同心圓17與射線18的諸交點(diǎn)上。
若磁體板4、5是用電子工業(yè)部部標(biāo)材料牌號(hào)為BMC-Y30BH的鐵氧體燒結(jié)磁體制成的，若磁體板4、5的形狀是長(zhǎng)為8.2厘米、寬為6.3厘米、高為0.7厘米的矩形板，若做實(shí)驗(yàn)的地點(diǎn)是北京，則磁體板4與磁體板5之間的距離就得在83厘米左右。
此實(shí)驗(yàn)只需3節(jié)1號(hào)干電池并聯(lián)給直導(dǎo)線20供電流，就可使在距直導(dǎo)線208厘米以內(nèi)的每一個(gè)小磁針9的N極都很到位地停駐在直線電流在其所在處所產(chǎn)生的磁場(chǎng)的方向上。
圖9示出消除地磁場(chǎng)的水平分磁場(chǎng)的裝置，其上梁21長(zhǎng)為(83+10)厘米，其支柱22、23長(zhǎng)為35厘米。齒輪箱24固定在上梁21的正中央。托板25、26分別固定在上梁21的二端。連結(jié)塊39在下梁38的中點(diǎn)。
扭轉(zhuǎn)旋紐27，帶動(dòng)齒輪箱24內(nèi)的齒輪，帶動(dòng)齒條28、29，帶動(dòng)連桿30、31，帶動(dòng)小滑車32、33使其分別在托板25、26上做相向或相背的運(yùn)動(dòng)，從而使小滑車32、33上的磁體板4、5之間的距離變小或變大，從而使磁感強(qiáng)度BM8變大或變小。導(dǎo)輪34、35、36和37控制磁體板4、5的運(yùn)動(dòng)，使其只能直進(jìn)或直退而不做橫向運(yùn)動(dòng)，從而使磁體板4、5的共同軸線6總保持跟上梁21和下梁38平行。
圖10示出提供方向豎直向上或豎直向下的直線電流的裝置。
弓形架二端的彈簧夾40、41緊緊夾住直導(dǎo)線20的二端，使直導(dǎo)線20、弓臂42、弓背43和弓臂44四者共同構(gòu)成一固定的長(zhǎng)為70厘米，寬為40厘米的矩形框。連結(jié)塊51在弓臂44上距弓背43較近處。
由電源盒45的一極引出一導(dǎo)線以次穿過(guò)小圓環(huán)46、47、48和49后接到直導(dǎo)線20的上端，由另一極引出一導(dǎo)線穿過(guò)小圓環(huán)50后接到直導(dǎo)線20的下端，形成一閉合電路。
電源盒45可容3節(jié)1號(hào)干電池并聯(lián)。
圖11示出安培定則演示器的構(gòu)成。
安培定則演示器系由消除地磁場(chǎng)的水平分磁場(chǎng)的裝置(如圖9所示)；提供方向豎直向上或向下的直線電流的裝置(如圖10所示)；觀察器14(如圖7所示)和小磁針9(如圖6所示)等四者構(gòu)成。
用螺絲將弓臂44上的連結(jié)塊51(見(jiàn)圖10)與下梁38上的連結(jié)塊39(見(jiàn)圖9)緊固在一起，使提供方向豎直向上或向下的直線電流的裝置與消除地磁場(chǎng)的水平分磁場(chǎng)的裝置結(jié)成一個(gè)整體。于是，安培定則演示器就由支柱22、23和52三者共同支撐。穿過(guò)局部空間7的中心13的豎直直導(dǎo)線20與軸線6垂直相交于直導(dǎo)線20的中點(diǎn)。在此，特別重要的一點(diǎn)刻在觀察器14上的方向準(zhǔn)線15跟軸線6、上梁21和下梁38等平行。這一點(diǎn)是在組裝整個(gè)安培定則演示器時(shí)就已固定好了的。
結(jié)合圖12說(shuō)明安培定則演示器整體方位的調(diào)整，實(shí)質(zhì)上是軸線6的方位的調(diào)整。
把安培定則演示器放在水平桌面53上時(shí)，暫且先讓方向準(zhǔn)線15的箭頭粗略地指向地理北的方向。從小滑車32、33上取下磁體板4、5，放到2米以外的遠(yuǎn)處。觀察器14上只留一枚小磁針9放到方向準(zhǔn)線15的中點(diǎn)，在地磁場(chǎng)的作用下，確切的說(shuō)應(yīng)該是在地磁場(chǎng)的水平分磁場(chǎng)的作用下小磁針9的N極轉(zhuǎn)到并停駐在磁北方向上。就以此小磁針9的N極所停駐的方向?yàn)闇?zhǔn)，在水平桌面53上轉(zhuǎn)動(dòng)整個(gè)安培定則演示器至方向準(zhǔn)線15的箭頭隨安培定則演示器的整體一起轉(zhuǎn)動(dòng)至小磁針9的N極所停駐的磁北方向?yàn)橹?。至此，安培定則演示器的方位已調(diào)好。
結(jié)合圖13說(shuō)明人為勻強(qiáng)磁場(chǎng)的磁感強(qiáng)度BM8的大小的調(diào)整。
從2米以外的遠(yuǎn)處取回磁體板4、5，分別放回原小滑車32、33上。磁體板4、5共同產(chǎn)生的勻強(qiáng)磁場(chǎng)的磁感強(qiáng)度BM8的方向與地磁場(chǎng)的水平分磁場(chǎng)的磁感強(qiáng)度BH2的方向恰相反。此時(shí)，小磁針9可能出現(xiàn)的情況有三 一、其N極指BH2的方向， 說(shuō)明|BH2|>|BM8|； 二、其N極指BM8的方向， 說(shuō)明|BH2|<|BM8|； 三、小磁針9處于隨遇平衡狀態(tài)， 說(shuō)明|BH2|＝|BM8|。
若小磁針9處于隨遇平衡狀態(tài)就說(shuō)明磁感強(qiáng)度BM8與磁感強(qiáng)度BH2大小相等方向相反，二者的矢量和為0，在局部空間7內(nèi)地磁場(chǎng)的水平分磁場(chǎng)已被消除，就可在局部空間7內(nèi)做安培定則的實(shí)驗(yàn)了。若小磁針9不是處于隨遇平衡狀態(tài)，可扭轉(zhuǎn)旋紐27將小磁針9調(diào)成隨遇平衡狀態(tài)。
圖14示出已完全調(diào)整好的安培定則演示器，這里已形成一個(gè)無(wú)任何水平方向的磁場(chǎng)而只有地磁場(chǎng)的豎直分磁場(chǎng)(磁感強(qiáng)度為Bv3，方向向下)的局部空間7(如圖5所示)。
取回所有小磁針9，重新布置在同心圓17與射線18的諸交點(diǎn)上。整個(gè)觀察器14和分布在其上的小磁針9都在局部空間7內(nèi)。電源盒45的正負(fù)極各引出一導(dǎo)線分別接到直導(dǎo)線20的二端，形成一閉合電路，直導(dǎo)線20中的電流的方向向上。
握直導(dǎo)線20的右手的拇指指電流I的方向，則其余四個(gè)手指的指尖共同指的方向就分別跟每一個(gè)小磁針9的N極所指的方向相同，而小磁針9的N極所指的方向就是直線電流在其所在處所產(chǎn)生的磁場(chǎng)的方向。所以說(shuō)若握直導(dǎo)線20的右手的伸直的拇指指電流I的方向，則彎曲的四個(gè)手指所指的方向就是磁感線17環(huán)繞的方向，這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果正是安培定則的直接展現(xiàn)。同時(shí)，此實(shí)驗(yàn)還直接展現(xiàn)出直線電流的磁場(chǎng)在空間分布的規(guī)律，小磁針9的N極所指的方向跟其所在的同心圓17相切而與其所在的射線18垂直。但此實(shí)驗(yàn)中所展現(xiàn)出來(lái)的一切，在傳統(tǒng)的演示實(shí)驗(yàn)奧斯特實(shí)驗(yàn)中卻全然無(wú)所展現(xiàn)。
權(quán)利要求
1.一種消除地磁場(chǎng)的水平分磁場(chǎng)對(duì)安培定則的實(shí)驗(yàn)的干擾的方法，將安培定則演示器放到水平的桌面(53)上，拿走磁體板(4、5)放到2米以外的遠(yuǎn)處，觀察器(14)上只留一枚小磁針(9)放到方向準(zhǔn)線(15)的中點(diǎn)在地磁場(chǎng)的作用下小磁針(9)的N極轉(zhuǎn)到并停駐在磁北方向上，在水平的桌面(53)上轉(zhuǎn)動(dòng)整個(gè)安培定則演示器使方向準(zhǔn)線(15)的箭頭隨安培定則演示器整體一起轉(zhuǎn)動(dòng)至小磁針(9)的N極所停駐的磁北方向?yàn)橹?，取回磁體板(4、5)放回原小滑車(32、33)上，磁體板(4、5)在其正中間的局部空間(7)內(nèi)產(chǎn)生的勻強(qiáng)磁場(chǎng)的磁場(chǎng)方向恰與磁北方向相反，扭轉(zhuǎn)旋鈕(27)將小磁針(9)調(diào)成隨遇平衡狀態(tài)，重新將小磁針(9)布置在同心圓(17)與射線(18)的諸交點(diǎn)上，接通電路每個(gè)小磁針(9)的N極都轉(zhuǎn)動(dòng)并停駐在直導(dǎo)線(20)中的電流在其所在處所產(chǎn)生的磁場(chǎng)的方向上，每個(gè)小磁針(9)的N極所指的方向與其所在的同心圓(17)相切而與其所在的射線(18)垂直，若握直導(dǎo)線(20)的右手的伸直的拇指指電流的方向則彎曲的四個(gè)手指所指的方向就是磁感線(17)的環(huán)繞方向，該方法的特征在于二塊完全相同的磁體板(4、5)其中一塊的N極與另一塊的S極相互正對(duì)在其正中間的局部空間(7)內(nèi)產(chǎn)生的勻強(qiáng)磁場(chǎng)的磁感強(qiáng)度與地磁場(chǎng)的水平分磁場(chǎng)的磁感強(qiáng)度大小相等方向相反其矢量和為0形成一無(wú)任何水平方向的磁場(chǎng)而只有地磁場(chǎng)的豎直分磁場(chǎng)的局部空間(7)，在此局部空間(7)內(nèi)的觀察器(14)和小磁針(9)轉(zhuǎn)動(dòng)的自由面都是水平的，穿過(guò)此局部空間(7)的中心(13)的直導(dǎo)線(20)是豎直的。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種消除地磁場(chǎng)的水平分磁場(chǎng)對(duì)安培定則的實(shí)驗(yàn)的干擾的方法和采用該方法的安培定則演示器。該儀器的磁體板(4、5)的N、S極相互正對(duì)，在其間的局部空間內(nèi)產(chǎn)生的勻強(qiáng)磁場(chǎng)的感強(qiáng)度與地磁場(chǎng)的水平分磁場(chǎng)的磁感強(qiáng)度大小相等方向相反，矢量和為0，在此局部空間內(nèi)的觀察器(14)與小磁針(9)轉(zhuǎn)動(dòng)的自由面都是水平的。穿過(guò)此局部空間中心的豎直直導(dǎo)線(20)中有電流時(shí)，各小磁針(9)的N極就都轉(zhuǎn)到并停駐在該電流在其所在處產(chǎn)生的磁場(chǎng)的方向上。若握直導(dǎo)線(20)的右手的伸直的拇指指電流的方向，則彎曲的四指所指的方向就是磁感線(17)環(huán)繞的方向。這就是用消除地磁場(chǎng)的水平分磁場(chǎng)的方法做的能把安培定則直接展現(xiàn)出來(lái)的實(shí)驗(yàn)。
文檔編號(hào)G09B23/18GK101145295SQ20071016384
公開(kāi)日2008年3月19日 申請(qǐng)日期2007年10月10日 優(yōu)先權(quán)日2007年10月10日
發(fā)明者許鴻濱 申請(qǐng)人:許鴻濱