專利名稱：一種庫侖定律的定量驗(yàn)證試驗(yàn)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種試驗(yàn)裝置，尤其涉及一種庫侖定律的定量驗(yàn)證試驗(yàn)裝置。
背景技術(shù)：
靜電力相互作用的平方反比關(guān)系，是經(jīng)過法國軍事工程師庫侖(C·A·Coulomb，1736～1806)的實(shí)驗(yàn)測定才得以流傳于世的。1785年，庫侖利用自己的有關(guān)扭轉(zhuǎn)力方面的知識，設(shè)計(jì)制作了一臺精密的扭秤，進(jìn)行了測定電力作用的實(shí)驗(yàn)。從這樣的實(shí)驗(yàn)中，庫侖得出了“帶同類電的兩球之間的排斥力，與兩球中心之間距離的平方成反比”的結(jié)論。但限于歷史階段、科技水平等因素的限制，此實(shí)驗(yàn)的精度并不是很高，而且，用扭秤無法驗(yàn)證帶異種電荷間的引力與距離之間的關(guān)系。這是因?yàn)?，?dāng)小木球上的電荷在扭力為零的位置同固定電荷的位置之間運(yùn)動時，扭力的大小與兩球之間的距離呈線性規(guī)律變化(F扭＝k′θ＝kl)，而電荷之間的吸引力則與距離的平方關(guān)系呈反比變化(F電＝k/d2)，兩者之間即使能夠達(dá)到平衡，也是一種不穩(wěn)定平衡。如果出現(xiàn)一個微擾動，電荷之間的吸引力就會比扭力增加的更快，往往導(dǎo)致兩球相碰。庫侖在論文中這樣寫道“即使能達(dá)到平衡，最后兩球也往往會相碰，這是因?yàn)榕こ邮朱`活，多少會出現(xiàn)左右搖擺的緣故”。事實(shí)上，庫侖后來是利用“電擺”裝置證明了電吸引力與距離的平方反比關(guān)系。然而，盡管如此，庫侖聲稱他還是首先使用了扭力同電吸引力平衡的方法進(jìn)行了測量，并說明他由此得到電吸引力也滿足平方反比律的結(jié)論。
在進(jìn)行庫侖定律的教學(xué)時，教師往往是先進(jìn)行定性實(shí)驗(yàn)，然后再介紹庫侖扭秤裝置。限于儀器的精度及操作方面的問題，定量實(shí)驗(yàn)一般不進(jìn)行演示，而這樣勢必會造成學(xué)生對庫侖定律的片面、不深刻的理解，而且缺乏實(shí)踐方面的體驗(yàn)。
實(shí)用新型內(nèi)容針對上述存在的問題，本實(shí)用新型的目的在于提供一種便于試驗(yàn)操作、且測量精度高的庫侖定律的定量驗(yàn)證試驗(yàn)裝置。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型一種庫侖定律的定量驗(yàn)證試驗(yàn)裝置包括水平板、中間板、垂直板、導(dǎo)槽、包有金箔的有機(jī)玻璃薄片和金屬球；中間板的一側(cè)可轉(zhuǎn)動安裝在水平板上，垂直板垂直固定在中間板上，并與所述中間板轉(zhuǎn)動軸線相垂直；導(dǎo)槽設(shè)置所述中間板面上的中間，并與所述垂直板和中間板的交線相平行，所述金屬球可滑動安裝在該導(dǎo)槽上，并通過導(dǎo)線與一靜電高壓發(fā)生器相連；所述垂直板上安裝有測角圖片，在該測角圖片的圓心位置懸掛一用于確定所述中間板傾斜轉(zhuǎn)角的重錘，在所述垂直板靠下方上水平設(shè)置一刻度尺；所述有機(jī)玻璃薄片通過一懸臂懸掛在所述重錘側(cè)面，該懸臂與所述垂直板面相垂直。
進(jìn)一步地，所述金屬球通過一底座可滑動安裝在所述導(dǎo)槽上，該金屬球通過一有機(jī)玻璃螺桿轉(zhuǎn)動安裝在該底座上，所述底座上還設(shè)置有用于讀取所述金屬球在所述刻度尺上相對位置的指針。
本實(shí)用新型不僅操作方便，通過演示使學(xué)生能夠更深刻地理解庫侖定律，而且測量精度高，可將誤差控制在5％以內(nèi)。


圖1為實(shí)用新型結(jié)構(gòu)示意圖，該圖同時表示中間板未傾斜一定角度的狀態(tài)。
圖2為將中間板傾斜一定角度的狀態(tài)圖。
圖3為調(diào)整金屬球到適當(dāng)位置，使懸掛薄片的兩根細(xì)線的拉力與中間板垂直的狀態(tài)圖。
圖4為對圖3的薄片受力分析圖。
具體實(shí)施方式
如圖1所示，本實(shí)用新型包括水平板1、中間板2、垂直板3、導(dǎo)槽8、包有金箔的有機(jī)玻璃薄片5和金屬球4；中間板2的一側(cè)可轉(zhuǎn)動安裝在水平板1上，垂直板3垂直固定在中間板2上，并與中間板2轉(zhuǎn)動軸線相垂直；導(dǎo)槽8設(shè)置中間板2面上的中間位置，并與垂直板3和中間板2的交線相平行，金屬球4通過有機(jī)玻璃螺桿14安裝在底座13上，調(diào)節(jié)螺桿14來調(diào)節(jié)金屬球4的高度，底座13可滑動安裝在該導(dǎo)槽8上，底座13上還設(shè)置有用于讀取金屬球4在刻度尺(下述)上相對位置的指針15，從而確定金屬球4與薄片5之間的距離，金屬球4通過導(dǎo)線與一靜電高壓發(fā)生器相連(未圖示出)，用于產(chǎn)生靜電；垂直板3上安裝有精確為0.1度的測角度的用測角圖片6，在該測角圖片6的圓心位置懸掛一用于確定中間板2傾斜轉(zhuǎn)角的重錘10，在垂直板3靠下方上水平設(shè)置一刻度尺9；有機(jī)玻璃薄片5通過一懸臂7懸掛在重錘10側(cè)面，該懸臂7與垂直板3面相垂直，懸臂7的寬度與垂直板3的厚度之和為中間板2的寬度。另外，水平板1上還可以設(shè)置調(diào)節(jié)水平面的旋鈕11，以確保中間板2在試驗(yàn)前保持水平狀態(tài)，在懸臂7的末端與該末端垂直對應(yīng)的中間板2的邊緣之間可設(shè)置用于固定觀察者視線位置的觀察線12。
實(shí)驗(yàn)之前，先將中間板2的各個方向均調(diào)節(jié)呈水平狀態(tài)，并保證金屬球4與薄片5的中心連線水平，當(dāng)薄片4靜止時，使懸掛薄片5的兩根細(xì)線與重錘線、測角圖片6上的0刻度線、觀察線12在同一豎直面內(nèi)。
1)驗(yàn)證斥力F與距離r的二次方成反比。
如圖2所示，實(shí)驗(yàn)時，將中間板2旋轉(zhuǎn)一個角度，打開靜電高壓發(fā)生器，使金屬球4帶電，并同時使薄片5帶電。這時，懸掛薄片5的兩根細(xì)線會擺起一個角度。同時，重錘線也會與0刻度線有一個角度(此角度即為中間板2被墊起的角度)。如圖3所示，調(diào)整金屬球4的位置，使懸掛薄片5的兩根細(xì)線與0刻度線、觀察線12重合，這就確保了懸掛薄片5的兩根細(xì)線的拉力與中間板2垂直。如圖4所示，對此時薄片5受力分析，它受到三個力作用重力G、繩的拉力T、帶電金屬球4對薄片5的斥力F。將重力G正交分解沿平行中間板2方向的分力G1，沿垂直板3方向的分力G2。由平衡條件得mgsinθ＝F若F與二者之間的距離r的二次方成反比，則有mgsinθ∝ 1/r2即mgsinθ·r2＝常數(shù)即sinθ·r2＝常數(shù)改變中間板2的傾角θ，測出對應(yīng)的r值，計(jì)算出各組sinθ·r2的值，若為一常數(shù)，則證明了F∝ 1/r2。
2)驗(yàn)證引力與距離的二次方成反比只需將利用靜電高壓發(fā)生器的兩個電極讓金屬球4和薄片5帶上異種電荷，并將金屬球4的位置變?yōu)榉诺奖∑?的左邊，其他操作、原理同上。
另外，為使實(shí)驗(yàn)便于操作，結(jié)果更精確，可以在儀器外罩一個薄的有機(jī)玻璃罩，并讓外罩與抽氣機(jī)相連，帶底座的金屬球5可以通過機(jī)械傳動裝置在罩外控制。為了把水平板1、中間板2、垂直板3的靜電感應(yīng)的因素降到最低，應(yīng)保證薄片5靜止時位置相對于中間板2和垂直板3對稱。
權(quán)利要求1.一種庫侖定律的定量驗(yàn)證試驗(yàn)裝置，其特征在于，包括水平板、中間板、垂直板、導(dǎo)槽、包有金箔的有機(jī)玻璃薄片和金屬球；中間板的一側(cè)可轉(zhuǎn)動安裝在水平板上，垂直板垂直固定在中間板上，并與所述中間板轉(zhuǎn)動軸線相垂直；導(dǎo)槽設(shè)置所述中間板面上的中間，并與所述垂直板和中間板的交線相平行，所述金屬球可滑動安裝在該導(dǎo)槽上，并通過導(dǎo)線與一靜電高壓發(fā)生器相連；所述垂直板上安裝有測角圖片，在該測角圖片的圓心位置懸掛一用于確定所述中間板傾斜轉(zhuǎn)角的重錘，在所述垂直板靠下方上水平設(shè)置一刻度尺；所述有機(jī)玻璃薄片通過一懸臂懸掛在所述重錘側(cè)面，該懸臂與所述垂直板面相垂直。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種庫侖定律的定量驗(yàn)證試驗(yàn)裝置，其特征在于，所述金屬球通過一底座可滑動安裝在所述導(dǎo)槽上，該金屬球通過一有機(jī)玻璃螺桿轉(zhuǎn)動安裝在該底座上，所述底座上還設(shè)置有用于讀取所述金屬球在所述刻度尺上相對位置的指針。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種庫侖定律的定量驗(yàn)證試驗(yàn)裝置，包括水平板、中間板、垂直板、導(dǎo)槽、包有金箔的有機(jī)玻璃薄片和金屬球；中間板的一側(cè)可轉(zhuǎn)動安裝在水平板上，垂直板垂直固定在中間板上，并與中間板轉(zhuǎn)動軸線相垂直；導(dǎo)槽設(shè)置中間板面上的中間，并與所述垂直板和中間板的交線相平行，所述金屬球可滑動安裝在該導(dǎo)槽上；所述垂直板上安裝有測角圖片，在該測角圖片的圓心位置懸掛一重錘，在所述垂直板靠下方上水平設(shè)置一刻度尺；所述有機(jī)玻璃薄片通過一懸臂懸掛在所述重錘側(cè)面，該懸臂與所述垂直板面相垂直。本實(shí)用新型不僅操作方便，通過演示使學(xué)生能夠更深刻地理解庫侖定律，而且測量精度高，可將誤差控制在 5％以內(nèi)。
文檔編號G09B23/00GK2922002SQ200620124748
公開日2007年7月11日 申請日期2006年7月4日 優(yōu)先權(quán)日2006年7月4日
發(fā)明者韓曉東 申請人:韓曉東