專利名稱：一種演示帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中運(yùn)動規(guī)律的實(shí)驗(yàn)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種演示儀器，特別涉及一種演示帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中運(yùn)動規(guī)律的實(shí)驗(yàn)裝置。
背景技術(shù)：
帶電粒子的運(yùn)動由于涉及的往往是微觀粒子的運(yùn)動，所述很難用合適的實(shí)驗(yàn)演示器件來進(jìn)行直觀形象的展示，傳統(tǒng)的方式往往是采用云室來顯示粒子的運(yùn)動軌跡，這樣不僅對實(shí)驗(yàn)器材要求很高，而且演示前需要比較繁瑣的交待，現(xiàn)象也不夠生動直觀，另外一種方式是采用陰極射線管作為演示帶電體加速的試驗(yàn)裝置，但是它只能讓我們通過觀察電子束打到熒光屏上的徑跡，來體會電子被加速的過程，不能宏觀觀察帶電體的運(yùn)動情況，不能夠取得良好的效果。 因此急需一種能直觀演示帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中運(yùn)動規(guī)律的實(shí)驗(yàn)裝置。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種能直觀演示帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中運(yùn)動規(guī)律的實(shí)驗(yàn)裝置。該裝置克服現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)裝置不能宏觀觀察帶電體的運(yùn)動情況的缺陷。本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的
本發(fā)明提供的一種演示帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中運(yùn)動規(guī)律的實(shí)驗(yàn)裝置，包括電源單元、電解槽，所述電解槽包括盛有電解液的水槽和設(shè)置于水槽下方的勵磁裝置，所述水槽中部設(shè)置有第一電極，所述水槽沿內(nèi)壁設(shè)置有的金屬圈為第二電極，所述第一電極和第二電極分別與電源單元連接。進(jìn)一步，還包括電流換向單元，所述電流換向單元包括第一二極管、第二二極管和轉(zhuǎn)換開關(guān)，所述轉(zhuǎn)換開關(guān)的靜觸點(diǎn)與第二電極連接，所述轉(zhuǎn)換開關(guān)的一個(gè)動觸點(diǎn)與第一二極管的負(fù)極連接，所述轉(zhuǎn)換開關(guān)的另一個(gè)動觸點(diǎn)與第二二極管的正極連接，所述第一二極管的正極與第二二極管的負(fù)極連接后與電源端連接。進(jìn)一步，還包括漂浮物，所述漂浮物為漂浮于電解液中的輕小物體。進(jìn)一步，所述勵磁裝置為環(huán)形線圈，外接勵磁電流，產(chǎn)生磁場；
進(jìn)一步，所述勵磁裝置為環(huán)形磁鐵。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于本發(fā)明利用跨學(xué)科知識，把物理和化學(xué)知識很好地結(jié)合起來，既形象直觀地演示了帶電離子在磁場中的運(yùn)動規(guī)律，又增加了趣味性，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)的興趣。并且裝置成本低、制作簡單、操作簡單以及效果明顯。本裝置可說明電解質(zhì)溶液的導(dǎo)電性，其內(nèi)部存在著自由移動的陰陽離子；可形象說明電場、磁場對帶電粒子有力的作用以及作用力的特點(diǎn)；可形象直觀地演示帶電粒子在磁場中的運(yùn)動規(guī)律。本發(fā)明的其它優(yōu)點(diǎn)、目標(biāo)和特征在某種程度上將在隨后的說明書中進(jìn)行闡述，并且在某種程度上，基于對下文的考察研究對本領(lǐng)域技術(shù)人員而言將是顯而易見的，或者可以從本發(fā)明的實(shí)踐中得到教導(dǎo)。本發(fā)明的目標(biāo)和其它優(yōu)點(diǎn)可以通過下面的說明書以及附圖中所特別指出的結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)和獲得。


為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述，其中
圖I為正負(fù)離子在電場中的運(yùn)動示意 圖2為磁場形成不意 圖3為漂浮物受力示意 圖4為漂浮物運(yùn)動軌跡示意圖；
圖5為接線示意圖。
具體實(shí)施例方式以下將結(jié)合附圖，對本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)的描述；應(yīng)當(dāng)理解，優(yōu)選實(shí)施例僅為了說明本發(fā)明，而不是為了限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。圖I為正負(fù)離子在電場中的運(yùn)動示意圖，如圖所示本發(fā)明提供的一種演示帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中運(yùn)動規(guī)律的實(shí)驗(yàn)裝置，包括電源單元和電解槽，所述電解槽包括盛有電解液的水槽和設(shè)置于水槽下方的勵磁裝置，該勵磁裝置采用環(huán)形線圈，外接勵磁電流，從而產(chǎn)生磁場，也可以米用環(huán)形磁鐵來產(chǎn)生磁場，所述水槽中部設(shè)置有第一電極，該第一電極米用銅棒，或鐵棒，或其他金屬棒狀物體，所述水槽沿內(nèi)壁設(shè)置有的金屬圈為第二電極，所述第一電極和第二電極分別與電源單元連接。還包括電流換向單元，所述電流換向單元包括第一二極管、第二二極管和轉(zhuǎn)換開關(guān)，所述轉(zhuǎn)換開關(guān)的靜觸點(diǎn)與第二電極連接，所述轉(zhuǎn)換開關(guān)的一個(gè)動觸點(diǎn)與第一二極管的負(fù)極連接，所述轉(zhuǎn)換開關(guān)的另一個(gè)動觸點(diǎn)與第二二極管的正極連接，所述第一二極管的正極與第二二極管的負(fù)極連接后與電源端連接。還包括漂浮物，所述漂浮物為能漂浮于電解液中的輕小物體(如，小紙片、小紙船、小木塊或小塑料泡沫等)。下面描述詳細(xì)演示帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中運(yùn)動規(guī)律的實(shí)驗(yàn)裝置的原理
電荷在磁場中運(yùn)動會受到磁場力的作用，也就是洛侖茲力，洛侖茲力的表達(dá)式為
/二 gvAski ，式中，7為運(yùn)動電荷的電荷量，V為該電荷運(yùn)動的速率。如果讓帶電粒子的速度方向垂直于磁場方向，那么在洛侖茲力的作用下，帶電粒子就會做圓周運(yùn)動。因此，我們想到運(yùn)用溶液中電離的離子代替帶電粒子，首先讓其在電場力的作用下運(yùn)動起來(制作水槽，加電場)，如圖I所示。若在溶液中放置一個(gè)漂浮物(如，小紙片)，由于正負(fù)離子受電場力方向相反，其運(yùn)動的方向就相反，從統(tǒng)計(jì)的角度來說，正負(fù)離子對漂浮物的作用力相互抵消，所以在加電場而未加磁場的情況下，漂浮物將靜止不動。然后再加一個(gè)垂直于帶電粒子運(yùn)動方向的磁場(制作環(huán)形線圈，通電產(chǎn)生磁場，如圖2所示)，由于產(chǎn)生磁場線圈的軸線方向與電解槽的液面方向垂直，所以根據(jù)“右手螺旋定則”可知，通電線圈產(chǎn)生的磁場方向與正負(fù)離子的運(yùn)動方向垂直。根據(jù)“左手定則”可知，正負(fù)離子所受的洛侖茲力方向是與徑向垂直的切線方向，而且方向相同。
正負(fù)離子在洛侖茲力的作用下，偏離原來的徑向方向而運(yùn)動，但是不論其怎樣偏離，正負(fù)離子所受的洛侖茲力方向始終與運(yùn)動方向垂直。大量運(yùn)動著的正負(fù)離子對漂浮物的作用結(jié)果，在徑向由于方向相反而抵消，在切向方向相同而加強(qiáng)，所以漂浮物會沿著它所在的位置的切向運(yùn)動而形成轉(zhuǎn)動，如圖3所示。因此，可用漂浮物轉(zhuǎn)動的切線方向表示洛侖茲力的方向。當(dāng)漂浮物開始轉(zhuǎn)動時(shí)，速度不斷增加，但其所受液體的阻力也隨之增大。當(dāng)漂浮物所受液體的阻力與所受離子作用力相平衡時(shí)，漂浮物將做勻速圓周運(yùn)動(由于實(shí)驗(yàn)中的電場和磁場都非均勻，漂浮物的轉(zhuǎn)動，只能視為近似的勻速圓周運(yùn)動)，如圖4所示。當(dāng)離子運(yùn)動速度或磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度增大時(shí)，離子所受的洛侖茲力增大，離子對漂浮物的作用力增力口，漂浮物的轉(zhuǎn)速隨之增加，當(dāng)液體阻力與離子作用力重新達(dá)到平衡時(shí)，漂浮物又以較大的速度作勻速轉(zhuǎn)動。因此可用漂浮物轉(zhuǎn)動的快慢來表示洛侖茲力的大小。

改變電場的方向，使正負(fù)離子的運(yùn)動方向改變，或改變磁場線圈中的電流方向，使磁場方向與原來相反，漂浮物轉(zhuǎn)動方向都隨之改變，這說明洛侖茲力的方向不但與電荷運(yùn)動方向有關(guān)，也與磁場方向有關(guān)。不論電荷的運(yùn)動方向和磁場方向如何改變，洛侖茲力的方向與其二者的關(guān)系，都符合“左手定則”。增大或減小電場的大小，使正負(fù)離子運(yùn)動速度變快或變慢；或增加、減小線圈中電流強(qiáng)度，使其磁場增強(qiáng)、減弱，漂浮物的轉(zhuǎn)動速度都將隨之變快或變慢，這說明洛侖茲力的大小不但與電荷運(yùn)動速度有關(guān)，也與磁場的強(qiáng)弱有關(guān)。當(dāng)電荷運(yùn)動速度或磁感應(yīng)強(qiáng)度增加時(shí)，洛侖茲力將增大，反之，洛侖茲力將減小。下面詳細(xì)描述演示帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中運(yùn)動規(guī)律的實(shí)驗(yàn)裝置的制作過程
(O制作I個(gè)方型木盒
用電鋸裁取24*24cm的木板一塊,23*5cm的4根木條,表面用砂紙拋光，然后用膠水將木板和木條粘成24*24*5cm的木盒子。(2)制作有機(jī)玻璃水槽
用鋼鋸裁剪24*24的一塊有機(jī)玻璃板，4根5cm的有機(jī)玻璃棒。首先，在有機(jī)玻璃板距離一邊10cm，另一邊12cm的地方打一個(gè)O. 9cm的孔。用Icm的絲攻將這個(gè)孔絲出螺紋。用絲套將5cm的銅棒絲出2cm長的螺紋。然后將表面皿粘貼于以剛才打的孔為中心的位置，然后用密封膠密封。(3)組合儀器
在方型木盒上面畫出單刀雙置開關(guān)以及5個(gè)接線柱所需要的孔的位置，將接線柱和開關(guān)固定在木盒的表面。在木盒的表面打四個(gè)沒有打穿的直徑為Icm的洞，然后將4根有機(jī)玻璃棒插入，和有機(jī)玻璃水槽對接好，用萬能膠水將二者粘起來。做一個(gè)小紙船或一小紙片備用。(4)接線
在有機(jī)玻璃水槽的銅棒的下方焊上根引線，這個(gè)銅棒便是一個(gè)電極了。再用一根較粗的銅導(dǎo)線，做一個(gè)跟電解槽內(nèi)徑一樣大小的圓環(huán)，并焊上引線固牢在電解槽內(nèi)，引線從容器的側(cè)壁上穿引出去，這是另一個(gè)電極。然后再把電解槽放在產(chǎn)生磁場的線圈上面，電解槽底中央處的電極引線從線圈和木板的中空處引出，跟電解槽壁上的另一個(gè)電極引線分別固牢在木板中的接線柱上，接線圖如圖5所示。
下面詳細(xì)描述演示帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中運(yùn)動規(guī)律的實(shí)驗(yàn)裝置的使用步驟與效果
I.將配制好的飽和食鹽水電解質(zhì)溶液倒入電解槽中，固定在磁場中；接入交流電源和勵磁電流。2.當(dāng)開關(guān)與SI接通時(shí)，紅色的發(fā)光二極管正向?qū)ǎ娊庖簩?dǎo)通電路，說明電解液中存在自由移動的陰陽離子，同時(shí)電解液在磁場的作用下開始轉(zhuǎn)動。在電解槽中放入?yún)⒄瘴?如，小紙片、小紙船、小木塊或小塑料泡沫，等)，參照物隨電解液一起運(yùn)動。3.當(dāng)開關(guān)與S2接通時(shí)，綠色的發(fā)光二極管正向?qū)?，電解液反方向轉(zhuǎn)動，參照物隨電解液一起反方向運(yùn)動。以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，并不用于限制本發(fā)明，顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對本發(fā)明進(jìn)行各種改動和變型而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。這樣，倘若本發(fā)明的 這些修改和變型屬于本發(fā)明權(quán)利要求及其等同技術(shù)的范圍之內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包含這些改動和變型在內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種演示帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中運(yùn)動規(guī)律的實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于包括電源單元和電解槽，所述電解槽包括盛有電解液的水槽和設(shè)置于水槽下方的勵磁裝置，所述水槽中部設(shè)置有第一電極，所述水槽沿內(nèi)壁設(shè)置的金屬圈為第二電極，所述第一電極和第二電極分別與電源單元連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的演示帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中運(yùn)動規(guī)律的實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于還包括電流換向單元，所述電流換向單元包括第一二極管、第二二極管和轉(zhuǎn)換開關(guān)，所述轉(zhuǎn)換開關(guān)的靜觸點(diǎn)與第二電極連接，所述轉(zhuǎn)換開關(guān)的一個(gè)動觸點(diǎn)與第一二極管的負(fù)極連接，所述轉(zhuǎn)換開關(guān)的另一個(gè)動觸點(diǎn)與第二二極管的正極連接，所述第一二極管的正極與第二二極管的負(fù)極連接后與電源端連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的演示帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中運(yùn)動規(guī)律的實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于還包括漂浮物，所述漂浮物為漂浮于電解液中的輕小物體。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的演示帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中運(yùn)動規(guī)律的實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于所述勵磁裝置為環(huán)形線圈，外接可調(diào)勵磁電流，通過改變勵磁電流的大小來改變磁場大小。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的演示帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中運(yùn)動規(guī)律的實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于所述勵磁裝置為環(huán)形磁鐵。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種演示帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中運(yùn)動規(guī)律的實(shí)驗(yàn)裝置，包括電源單元、電流換向單元和電解槽，所述電解槽包括盛有電解液的水槽和設(shè)置于水槽下方的環(huán)形線圈，該線圈外接勵磁電流，產(chǎn)生磁場，所述水槽中部設(shè)置有第一電極，所述水槽沿內(nèi)壁設(shè)置有的金屬圈為第二電極，所述第一電極和第二電極分別與電源單元連接。本發(fā)明既形象直觀地演示了帶電離子在磁場中的運(yùn)動規(guī)律，又增加了趣味性，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)的興趣。并且裝置成本低、制作簡單、操作簡單以及效果明顯。本裝置可說明電解質(zhì)溶液的導(dǎo)電性，其內(nèi)部存在著自由移動的陰陽離子和電場、磁場對帶電粒子有力的作用以及作用力的特點(diǎn)；可形象直觀地演示帶電粒子在磁場中的運(yùn)動規(guī)律。
文檔編號G09B23/18GK102855797SQ20121036019
公開日2013年1月2日 申請日期2012年9月25日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月25日
發(fā)明者陳曉莉, 史文奎, 劉霜 申請人:西南大學(xué)