庫侖定律演示儀的製作方法

2023-08-08 18:30:26

專利名稱：庫侖定律演示儀的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及物理靜電學教學中，一種演示驗證庫侖定律的物理教學儀器。
目前，物理教學中公知的庫侖紐秤，它是由兩個帶電金屬球，金屬細絲，紐力指示盤組成。給金屬小球C、A帶同種電荷產生的斥力，使金屬細絲扭轉一定角度，用來指示電荷間作用力的大小。但是，由於實驗的絕緣程度要求高，儀器易受環境影響而降低絕緣度，角度指示誤差較大，而且，不能測出兩金屬小球的間距r的值，教學上直觀性較差，難以按要求做出實驗。
本實用新型的目的是為物理教學提供一種新型的演示驗證庫侖定律的教學儀器，它能對庫侖定律的演示，有很明顯的演示觀察效果，根據測試的數據，能準確地驗證庫侖定律。
本實用新型的目的是這樣實現的外形為上窄下寬的演示箱體，下邊左側成圓弧形，箱體頂部後被板打孔，安裝一個絕緣筒，把帶小球a和擺杆的專用表頭，裝好固定在絕緣筒中，引出導線；在外殼右下側鑽孔，粘合一根空心塑料管，使前端裝有小球b的絕緣棒能自由穿過塑料管，引出導線，把兩導線接到演示箱右上側接線柱上，引出共用導線。擺杆為金屬和絕緣細杆兩種。若用外接高壓源，例如電子感應圈的一端放電桿，接入共用導線作演示，則用金屬細杆作擺杆，用絕緣棒上的小球b與金屬擺杆上的擺球a做實驗；如果用絲綢(或毛皮)摩擦玻棒(或膠棒)給小球帶電的方法，則換上絕緣細杆作小球b的擺杆。
在演示箱的後面板下面安裝平面鏡，標上等距離刻度線，面板中心為零刻度，便於觀察小球a和移動小球b帶上同種電荷時，a受庫侖排斥力作用，偏轉的距離和小球a、b間的間距，平面鏡左側貼一個透明圓弧刻度板，面板中心為零刻度，刻度單位為度，以測定小球往左偏轉角度的大小；演示箱外殼右側中部位置安裝一個照明小燈泡；在一個移動底座的轉動棒上，插入支杆，另一端固定一個小球b，通過轉動棒轉動支杆可改變小球的高低位置，使小球a和b在實驗時，始終能調節到水平位置，表明a在水平方向受到b的庫侖力作用。專用表頭部分由能帶電的小球a、擺杆、擺柱、重心調節平衡杆組成擺動系統，小球a掛在擺杆下端，擺柱的上方為重心調節平衡杆；表頭圓環上嵌有一個錐形軸承，另一端錐形軸承焊接在螺杆上，螺杆旋入圓環和絕緣筒中，把擺柱固定在兩個錐形軸承內，便做成一個可擺動的表頭。調節擺柱上方的重心調節平衡杆，可使整個擺動部分的重心產生變化，使小球a能在微重力條件下實驗。突出了庫侖力對擺球a的影響，克服了重力過大而影響實驗觀察，加之絕緣程度高，使小球a在庫侖力的作用下，觀察受力偏轉擺動的現象很明顯。
實驗時，例如，用絲綢與有機玻棒摩擦帶電後，分別用玻棒去接觸小球b和擺球a，使其帶上同種電荷，把帶電小球a、b作為點電荷Q1、Q2來處理，a、b球為等大的球體，移動小球b，讓擺球a受電荷的排斥力而向左偏轉，便能觀察兩帶電小球的間距r和擺球a的偏角tgθ。當小球a靜止時，庫侖力與重力達到平衡，所以庫侖力可表述為F=mgtgθ。
由於採用了在擺柱上方安裝重心調節平衡裝置，使實驗在微重力條件下進行，突出了庫侖力對帶電小球a的影響，克服了因重力過大而影響實驗的觀察。使得擺球a的偏轉角度大，兩小球a、b帶上同種電荷時，相互間距r較大，由於絕緣性強，保持電荷的時間很長，通過平面鏡的刻度和角度指示盤，讀出r和tgθ的值，準確度高，直觀性強。
以下結合附圖和實施例對本實用新型進一步說明。


圖1是本實用新型的實驗過程原理示意圖。
圖2是庫侖定律演示儀的外觀結構示意圖。
圖3是有移動底座的小球b的正面圖。
圖4是圖3的A-A的剖視圖。
圖5是小球b固定在絕緣棒上並引出導線結構示意圖。
圖6是庫侖定律演示儀表頭擺動系統的結構示意圖。
圖7是庫侖定律演示儀表頭部分的整體結構圖。
圖中1．上部遮檔面板，2．角度指示盤，3．帶刻度的平面鏡，4．擺杆，5．擺球a，6．空心管，7．燈泡，8．接線柱及導線，9小球b，10．支杆，11．轉動棒，12．移動底座，13．導線，14．重心平衡杆外殼，15．擺柱，16．調節拉杆，17．圓環，18．螺杆，19．絕緣筒，20．螺杆引出導線，21．錐形軸承，22．後面板，23．絕緣棒。
在
圖1中，擺球a(5)和移動小球b(9)都帶上同種電荷，小球a(5)受力偏轉形成一定角度θ，a(5)受到b(9)的水平方向作用力，相互間形成的距離為r，由於間距較大，可把a(5)、b(9)兩球看作點電荷Q1、Q2，因為兩球體等大，表面積相同，帶電量也相同，當帶上相同電荷時，Q1=Q2。
在圖2中，上部遮擋面板(1)被後中心位置為表頭部分，擺杆(4)和擺球(5)懸掛在演示箱體內的中心；在後面板(22)的下面，貼有帶刻度的平面鏡(3)，平面鏡(3)的左邊貼上角度指示盤(2)；取40w的燈泡(7)，作照明和烘乾；右下側的塑料空心管，可套入帶絕緣棒(23)和引出導線(13)的小球b(9)，導線(13)與表頭引出線(20)連接成共用導線，與外接高壓電源的一端放電桿相接。例如，電子感應圈，此時，擺杆(4)為金屬輕擺杆，開啟電源，不管電源的極性是否變化，兩個小球始終帶同種電荷，可作定性演示。擺杆(4)換成絕緣杆和帶有移動底座的小球b(9)可作庫侖定律的驗證，而且測試準確度高。
在圖(3)中，小球b(9)固定在絕緣支杆(10)上，支杆(10)的另一端插入底座(12)的轉動棒(11)小孔中，可改變b(9)的高低，使小球a(5)、b(9)始終處於水平位置，實驗時，把有底座(12)的小球b(9)，放入演示箱(圖2)內右側位置，根據實驗要做左右運動。
圖4中，支杆(10)的一端插在轉動棒(11)小孔中，轉動棒(11)又旋入移動底座(12)中。
圖5是在實驗時，插入圖2中的空心塑料管(6)，作定性演示，小球b(9)固定在絕緣棒(23)前端，並與導線(13)相連接到演示箱右上側的接線柱(8)上。
圖6中，擺柱(15)插在平衡杆中，下端插入擺杆(4)，擺杆(4)分金屬和絕緣杆兩種，擺球a(5)是導電性能好的輕小球，調節拉杆(16)可上下改變長度。
圖7中，圓環(17)的一端嵌有錐形軸承(21)，另一端穿過螺杆(18)，在圓環(17)內的一端螺杆(18)上粘合或焊接錐形軸承(21)，擺柱(15)頂在兩個維形軸承(21)內，旋動螺杆(18)可調節擺柱(15)的鬆緊位置，使表頭下端的擺杆(4)，擺球a(5)能沿面板的水平方向左右擺動。擺杆(18)尾部焊接上導線(20)旋入絕緣筒(19)中，並將導線(20)從絕緣筒(19)引出；由重心平衡杆外殼(14)和調節拉杆(16)組成重心平衡調節裝置，以擺柱為支點，可調節表頭擺動系統的重心高低。
權利要求1．一種物理教學儀器，庫侖定律演示儀。把小球a和b作為兩個點電荷來處理。由於小球a和b的球體半徑相同，當它們同時帶上相同電荷時，電量相等Q1=Q2，用小球b去靠近a，使a偏轉一定的角度後，重力和電荷的斥力、擺杆的拉力，三者產生靜電平衡，通過小球a的角度變化，兩小球帶電量的變化，兩帶電小球a、b的間距r，可以驗證庫侖力F跟電量Q1Q2的大小成正比，跟距離r的平方成反比，其基本特徵是，在演示箱頂部遮擋部分，安裝專用表頭，由重心調節平衡杆、擺柱、擺杆、擺球a，組成表頭部分的擺動系統，擺柱上方為重心調節平衡杆，下方為擺杆，擺球a掛在擺杆下面，表頭的擺杆分為金屬和絕緣杆兩種，擺球a為導電性能好的輕小球，小球b分為(1)、固定在絕緣棒上引出導線，(2)固定在帶有支杆的移動底座上兩種，擺杆與表頭的連接為插接式，可根據要求更換成金屬和絕緣擺杆，由圓環一端嵌入錐形軸承，另一端旋上帶錐形軸承的螺杆，帶錐形軸承的螺杆尾部連接上導線旋入絕緣筒，形成表頭的固定系統，旋動螺杆可調節擺柱的松、緊靈活程度，圓環和圓筒為絕緣物質，由於重心調節平衡杆具有調節擺動系統重心高低的作用，以減小擺球a受力運動時的重力，使擺球a始終處於微重力的實驗條件，更加突出了庫侖力對小球a的影響，同時，擺柱兩端為針尖狀，頂在硬度大的錐形軸承裡磨擦力非常小，提高了實驗的精確度，使得兩小球帶上相同電荷時，小球a受到小球b的庫侖排斥力，作用距離更遠，偏轉角度大，相互的間距r大，小球a、b保持電荷穩定時間長，從演示箱後面板下面，通過等距離刻度的平面鏡和左邊的透明角度指示盤，可以很準確地讀出兩小球的間距r和偏角
2．根據權利要求1所述的庫侖定律演示儀，其特徵是專用表頭部分，重心調節平衡裝置由重心平衡杆外殼內置拉杆組成調節部分，用鑷子夾住拉杆向上抽動，表頭的擺動部分重心上移，若將拉杆向下壓入平衡杆外殼，則擺動部分重心下移，使擺球a實驗時保持適當的重力。
3．根據權利要求1所述的庫侖定律演示儀，其特徵是擺杆部分，在表頭下端插接上金屬擺杆和擺球a，把帶有小球b的絕緣棒連接導線，穿入演示箱右下側塑料圓筒，與表頭引出導線相連後，接入高壓電源的同端放電桿，使小球a、b帶上同種電荷，能做定性的演示實驗。
4．根據權利要求1所述的庫侖定律演示儀，其特徵是擺杆和移動小球部分，在表頭下端插接上絕緣杆和擺球a，用固定在帶有支杆的移動底座的小球b做實驗，通過磨擦玻棒(或膠棒)帶電，並傳遞給擺球a和移動小球b帶上相同電荷，能準確地驗證庫侖定律。
專利摘要一種用於物理教學中,涉及靜電學驗證庫侖定律的教學實驗儀器。它是在已有的庫侖紐秤實驗儀器中,兩個金屬小球作為兩個點電荷,這一設定的基礎上,重新設計實驗箱,上部安裝專用表頭,表頭下端為擺杆,擺杆下端安上擺球a,在表頭擺柱穿過擺杆的上方,為重心調節平衡杆,使擺球a能在微重力情況下做實驗,演示箱後面板的底部為等距離刻度的平面鏡,左側為角度指示盤,用於測量小球a、b的間距和偏角θ。
文檔編號G09B23/00GK2418543SQ9924129
公開日2001年2月7日 申請日期1999年10月13日 優先權日1999年10月13日
發明者李建民 申請人:李建民