專利名稱：多功能靜電學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于涉及一種實(shí)驗(yàn)裝置，特別涉及一種能夠演示帶電粒子在電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)規(guī)律和探究與平行板電容器電容大小相關(guān)因素的多功能靜電學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置。
背景技術(shù)：
目前，“帶電粒子在勻強(qiáng)電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)”是高中物理中電學(xué)與力學(xué)的綜合問(wèn)題，是教學(xué)中的一個(gè)重點(diǎn)內(nèi)容。由于目前沒(méi)有直接顯示該運(yùn)動(dòng)徑跡變化的演示實(shí)驗(yàn)，因而也是一個(gè)教學(xué)難點(diǎn)。陰極射線管、靜電偏轉(zhuǎn)式示波管等儀器雖然可以演示陰極發(fā)出的電子束在電場(chǎng)力作用下的偏轉(zhuǎn)，然而它只能讓我們通過(guò)觀察電子束打到熒光屏上的軌跡來(lái)想象電子運(yùn)動(dòng)過(guò)程，不能直觀地觀察到電子在電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)軌跡情況
實(shí)用新型內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種能夠直觀形象地觀察到帶電粒子在電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)情況并且能夠探究與平行板電容器的電容大小相關(guān)因素的多功能靜電學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案:多功能靜電學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置，包括電源、第一極板和第二極板，第一極板和第二極板通過(guò)導(dǎo)線與電源連接，還包括不斷提供在兩極板間形成清晰可見(jiàn)的運(yùn)動(dòng)軌跡的帶電粒子的可控裝置。進(jìn)一步，所述帶電粒子為帶電液滴。進(jìn)一步，還包括外殼和支架，所述外殼兩側(cè)設(shè)置有滑槽，所述支架穿過(guò)外殼兩側(cè)固定第一極板和第二極板。進(jìn)一步，所述電源為感應(yīng)起電機(jī)或高壓電源。進(jìn)一步，所述可控裝置中安裝在極板上或安裝在外殼頂部。進(jìn)一步，所述外殼頂部設(shè)置有照明燈。進(jìn)一步，所述外殼底部設(shè)置有接水槽。本發(fā)明的有益效果在于:本發(fā)明取材容易，制作簡(jiǎn)單，將其用于物理教學(xué)，極大地提高了學(xué)生對(duì)這部分知識(shí)的學(xué)習(xí)興趣。原來(lái)看不到的電場(chǎng)力，看不見(jiàn)的帶電粒子及其在勻強(qiáng)電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)變化軌跡，在這個(gè)實(shí)驗(yàn)里都得到了再現(xiàn)，形象生動(dòng)，印象深刻，為學(xué)生解決這類物理問(wèn)題提供了直觀的模型。本發(fā)明的其他優(yōu)點(diǎn)、目標(biāo)和特征在某種程度上將在隨后的說(shuō)明書(shū)中進(jìn)行闡述，并且在某種程度上，基于對(duì)下文的考察研究對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員而言將是顯而易見(jiàn)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)和其他優(yōu)點(diǎn)可以通過(guò)下面的說(shuō)明書(shū)和權(quán)利要求書(shū)來(lái)實(shí)現(xiàn)和獲得。


為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果更加清楚，本發(fā)明提供如下附圖進(jìn)行說(shuō)明:圖1為本發(fā)明裝置結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為帶電粒子在電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)原理示意圖；圖3為帶電粒子在勻強(qiáng)電場(chǎng)中的加速運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象示意圖；圖4、5、6、7為帶電粒子在勻強(qiáng)電場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象示意圖。
具體實(shí)施例方式下面將結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)的描述。如圖1所示，本發(fā)明提 供一種多功能靜電學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置，包括電源1、第一極板51、第二極板52、可控裝置8、光源7、外殼6和支架3。第一極板51和第二極板52通過(guò)導(dǎo)線與電源I連接；可控裝置8與電源5的一極連接,能夠不間斷提供帶電粒子,帶電粒子能夠在電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)，形成清晰可見(jiàn)的運(yùn)動(dòng)軌跡，可控裝置8的位置可變并且提供帶電粒子的速度可變。所述外殼形成一個(gè)密閉的環(huán)境，使帶電粒子的運(yùn)動(dòng)免受外界的影響。外殼6兩側(cè)設(shè)置有滑槽4，所述支架3穿過(guò)外殼兩側(cè)固定第一極板51和第二極板52，并通過(guò)外殼6兩側(cè)的滑槽4來(lái)改變兩極板的正對(duì)面積，支架可以左右移動(dòng)，從而改變兩極板間的距離。所述帶電粒子為可控裝置8提供的帶電液滴(食鹽水、酒精等能夠帶電的液體)，所述可控裝置安裝在極板上或安裝在外殼頂部。所述電源5為感應(yīng)起電機(jī)或高壓電源。所述外殼頂部設(shè)置有照明燈7，便于觀察帶電粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡，增大可見(jiàn)度。所述外殼底部設(shè)置有接水槽2。下面描述多功能靜電學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置的實(shí)驗(yàn)原理。(I)帶電粒子在平行板電容器電場(chǎng)中受到的電場(chǎng)力平行板電容器的兩極板上帶上等量異種電荷或加上電壓后，內(nèi)部電場(chǎng)可以看成勻
強(qiáng)電場(chǎng)，如果兩極板間距離為d，兩極間電壓為U，則內(nèi)部電場(chǎng)的電場(chǎng)強(qiáng)度為￡ = 帶電量
a
為q的粒子在其中受到的電場(chǎng)力為^ = ^￡: = 9.^.。
a使用兩塊極板形成一對(duì)平行板電容器，將靜電高壓電源連接在兩極板上，在極板間便形成勻強(qiáng)電場(chǎng)，用帶電的水滴模擬帶電粒子。帶電水滴通過(guò)兩極板間時(shí)產(chǎn)生加速或偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，說(shuō)明帶電水滴受到了電場(chǎng)力的作用。改變加在極板間的電壓大小來(lái)改變電場(chǎng)的強(qiáng)度，可以看到帶電水滴運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的改變，從而說(shuō)明電場(chǎng)力的大小與電場(chǎng)強(qiáng)度相關(guān)。(2)帶電粒子在勻強(qiáng)電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律帶電粒子在電場(chǎng)中因受到電場(chǎng)力的作用，其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)會(huì)發(fā)生改變。原來(lái)靜止的或具有電場(chǎng)力方向初速度的帶電粒子會(huì)沿著電場(chǎng)力方向作加速直線運(yùn)動(dòng)；具有垂直電場(chǎng)力方向初速度的帶電粒子會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)。如圖2所示，假設(shè)帶正電粒子的質(zhì)量為m，以初速度Vtl垂直于電場(chǎng)力方向進(jìn)入電場(chǎng)，板長(zhǎng)為1，板間距離為d，兩極板間的電壓為U。粒子在豎直方向上由于有個(gè)初速度，將會(huì)做勻速直線運(yùn)動(dòng)；在水平方向上，粒子受到的電場(chǎng)力做勻加速直線運(yùn)動(dòng)。粒子在豎直方向上做勻速直線運(yùn)動(dòng)，水平方向上做勻加速直線運(yùn)動(dòng)，其合運(yùn)動(dòng)與平拋運(yùn)動(dòng)類似。我們把粒子沿垂直于板面方向(初速度方向)偏移的距離叫做偏轉(zhuǎn)量S，由牛頓第二定律和勻變速直線運(yùn)動(dòng)規(guī)律可以推出，S =，可見(jiàn)偏轉(zhuǎn)量s與帶電粒子的質(zhì)量m、初速度Vd、板長(zhǎng)1，板間距
尚d,兩極板間的電壓U、粒子帶電量q有關(guān)。(3)平行板電容器的電容電容器是儲(chǔ)存電荷的容器，儲(chǔ)存電荷量Q的多少與兩極板間電壓U和電容器的電容C大小有關(guān)，其關(guān)系式為L(zhǎng)) = 由此式變形可以得到計(jì)算電容器電容大小的計(jì)算式
c = §。對(duì)于平行板電容器而言，其電容c的大小由兩極板間的距離d、兩極板間的正對(duì)面積
S、兩極板間插入介質(zhì)的介電常數(shù)ε共同決定,決定式為Cf = ■械d。聯(lián)立計(jì)算式和決定式可
得到，υ = {) = ^!^當(dāng)Q—定時(shí)，分別改變兩極板間的距離d、兩極板正對(duì)面積S、在兩極板插入介質(zhì)來(lái)改變電容C的大小，電容的變化會(huì)引起電壓U的變化，U的變化會(huì)引起水滴的偏轉(zhuǎn)程度發(fā)生變化。實(shí)驗(yàn)時(shí)，可以通過(guò)觀察在改變電容C前后，水滴的偏轉(zhuǎn)程度來(lái)判斷電壓U的大小變化，進(jìn)而確定電容C是增大還是減小。下面詳細(xì)描述多功能靜電學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置制作過(guò)程。1.制作可控帶電滴液裝置用一套吊瓶輸液器與IOOml玻璃瓶或塑料瓶瓶口連接便制成一個(gè)可控帶電滴液裝置，輸液瓶為儲(chǔ)液裝置，將輸液裝置中針頭稍加打磨制成滴液針頭。

截取一段細(xì)銅棒(50mm左右)將其一端磨尖，另一端焊接在導(dǎo)線的一端，導(dǎo)線另一段焊接在一個(gè)鱷魚(yú)夾上。將鱷魚(yú)夾夾在高壓電源的一極上，銅棒尖端插入塑料瓶?jī)?nèi)的水中，可讓水帶上正電或負(fù)電。2.制作兩塊極板截取兩塊直徑約為IOOmm的圓形銅板，用砂紙把表面和邊緣磨光滑。在兩板圓心處打直徑約為3mm的小孔，在板上方邊緣打一個(gè)大頭針大小的小孔。3.制作外殼、支架和水槽(I)外殼用若干木條做一個(gè)外殼支架；在外殼兩側(cè)面和上面的密度板相應(yīng)位置打孔及滑槽；利用空心塑料棒作為支架分別將兩塊銅板連接起來(lái)，空心塑料棒可以左右移動(dòng)以改變極板間距離，可以通過(guò)滑槽來(lái)改變極板的正對(duì)面積，塑料棒末端各固定一顆螺絲，銅板和螺絲之間焊接一根導(dǎo)線，以便給銅板帶電；然后用角鐵、若干螺絲和粘膠將各面板固定在外殼支架上，正面用透明有機(jī)玻璃板并可以上下滑動(dòng)，在背面里側(cè)貼上黑色的紙做背景以便觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。在外殼的頂部安裝一個(gè)LED小燈泡，用于照亮液滴運(yùn)動(dòng)軌跡，增大可見(jiàn)度。(2)伸縮支架用空心PVC管作支架的外套管，橡膠棒作支架延長(zhǎng)管(長(zhǎng)短自取)，并在PVC套管和在套管內(nèi)移動(dòng)的橡膠棒上相距50mm相對(duì)位置上鉆3mm的孔，用2段長(zhǎng)約80mm、直徑為3mm的不銹鋼絲做插銷，用長(zhǎng)約150mm、直徑約5mm的銅棒做支架橫桿,PVC管固定在外殼背面。(3)水槽
把泡沫中間挖空或用鐵皮(有機(jī)玻璃板)做一個(gè)無(wú)蓋的盒子作為接水槽用于接滴下來(lái)的水滴。下面詳細(xì)描述多功能靜電學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置演示帶電粒子在不同情況下電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)情況的使用步驟:1.演示帶電粒子在勻強(qiáng)電場(chǎng)中的加速運(yùn)動(dòng)調(diào)節(jié)好兩極板的距離，打開(kāi)上方的光源，把可控帶電滴液的針頭插在一塊極板上方邊沿的小孔內(nèi)，使針頭成水平狀。在塑料瓶?jī)?nèi)倒入加了適量鹽或酒精的水，然后打開(kāi)滴水開(kāi)關(guān)，調(diào)節(jié)到每秒兩滴。如圖3所示，打開(kāi)高壓電源，逐步把電壓從O升高到20kV左右?？梢钥吹诫妷狠^低(如5kV)時(shí)，電場(chǎng)力較小,水滴的重力不能忽略,水滴在水平電場(chǎng)力與向下重力的合力作用下作斜偏向另一塊極板的勻加速直線運(yùn)動(dòng)；當(dāng)電壓增大到20kV左右時(shí)，電場(chǎng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其重力，就可以忽略重力，水滴只在水平電場(chǎng)力作用下作勻加速直線運(yùn)動(dòng)，水滴變?yōu)橐粭l接近水平直線的急速水流。通過(guò)反復(fù)調(diào)節(jié)高壓電源的電壓，對(duì)比觀察水滴運(yùn)動(dòng)狀況，可以清楚看到帶電粒子(水滴)在勻強(qiáng)電場(chǎng)中沿電場(chǎng)力方向的加速運(yùn)動(dòng)情況。2.演示或探究帶電粒子在勻強(qiáng)電場(chǎng)中受到的電場(chǎng)力與電場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系演示方法同上，改變加在兩極板間的電壓大小，水滴的運(yùn)動(dòng)路徑發(fā)生改變，說(shuō)明水滴受到的力發(fā)生了改變，重力大小不變的情況下就說(shuō)明電場(chǎng)力大小發(fā)生了改變。電壓越大，水滴斜偏向正極板程度越大，說(shuō)明受到的電場(chǎng)力越大。3.定性演示帶電粒子在勻強(qiáng)電場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象調(diào)節(jié)好兩銅板的距離，下方放好接水槽，打開(kāi)上方光源。把可控帶電水滴裝置的針頭插在兩銅板之間上方的外殼頂板小孔中，使針頭成豎直狀。在塑料瓶?jī)?nèi)倒入加了適量鹽或酒精的水，然后打開(kāi)滴水開(kāi)關(guān)，調(diào)節(jié)到每秒約二、三滴。如圖4所示。(I)鱷魚(yú)夾不接任何電極，水滴不帶電荷，打開(kāi)高壓電源，不管電壓為多少，觀察到水滴穿過(guò)勻強(qiáng)電場(chǎng)后作豎直下落運(yùn)動(dòng)。如圖5所示。(2)關(guān)上高壓電源，鱷魚(yú)夾接到正電極一端，然后打開(kāi)高壓電源至IOkV左右，瓶中水帶正電荷，穿過(guò)勻強(qiáng)電場(chǎng)的水滴受電場(chǎng)力的作用，觀察到水滴運(yùn)動(dòng)軌跡偏向負(fù)極板。如圖6所示。(3)關(guān)上高壓電源，鱷魚(yú)夾接到負(fù)電極一端，然后打開(kāi)高壓電源至IOkV左右，帶負(fù)電荷的下落水滴穿過(guò)勻強(qiáng)電場(chǎng)時(shí)，觀察到水滴運(yùn)動(dòng)軌跡偏向正極板。如圖7所示。4.探究帶電粒子在勻強(qiáng)電場(chǎng)中偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的偏轉(zhuǎn)量與哪些因素有關(guān)實(shí)驗(yàn)裝置組裝與3同?？刂频嗡俣炔蛔?，可以認(rèn)為水滴的電量q、質(zhì)量m是一定的，由于極板長(zhǎng)度I也是一定的，根據(jù)控制變量法，保持兩極板間的電壓U、板間距離d—定，將支架向上伸長(zhǎng)或向下縮短以增大或減小水滴的初速度Vo，由偏轉(zhuǎn)量的變化情況探究偏轉(zhuǎn)量與初速度％的關(guān)系；保持兩極板間的電壓U、水滴的初速度Vtl —定，改變板間距離d，由偏轉(zhuǎn)量的變化情況探究偏轉(zhuǎn)量與板間距離d的關(guān)系；保持水滴的初速度Vtl、板間距離d —定，改變兩極板間的電壓U，由偏轉(zhuǎn)量的變化情況探究偏轉(zhuǎn)量與兩極板間電壓U的關(guān)系。5.探究或演示平行板電容器電容與哪些因素有關(guān)實(shí)驗(yàn)裝置組裝與3同。保持極板上電量一定，將一個(gè)極板的位置向上移動(dòng)固定在另一個(gè)位置可以改變兩極板的正對(duì)面積、左右滑動(dòng)極板可以改變極板間距離或者在極板間插入介質(zhì)板以改變介電常數(shù)，由觀察到的偏轉(zhuǎn)量的變化情況推知電壓的變化情況，進(jìn)而由電壓的變化情況得知電容的變化情況。最后說(shuō)明的是，以上優(yōu)選實(shí)施例僅用以說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管通過(guò)上述優(yōu)選實(shí)施例已經(jīng)對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的描述，但本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以在形式上和細(xì)節(jié)上對(duì)其作出各種各樣的改變，而不偏離本發(fā)明權(quán)利要求書(shū)所限定的范圍。
權(quán)利要求
1.多功能靜電學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置，包括電源、第一極板和第二極板，第一極板和第二極板通過(guò)導(dǎo)線與電源連接，其特征在于:還包括不斷提供在兩極板間形成清晰可見(jiàn)的運(yùn)動(dòng)軌跡的帶電粒子的可控裝置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述多功能靜電學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于:所述帶電粒子為帶電液滴。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述多功能靜電學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于:還包括外殼和支架，所述外殼兩側(cè)設(shè)置有滑槽，所述支架穿過(guò)外殼兩側(cè)固定第一極板和第二極板。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述多功能靜電學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于:所述電源為感應(yīng)起電機(jī)或高壓電源。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述多功能靜電學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于:所述可控裝置安裝在極板上或安裝在外殼頂部。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述多功能靜電學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于:所述外殼頂部設(shè)置有照明燈。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述多功能靜電學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于:所述外殼底部設(shè)置有接水槽。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種多功能靜電學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置，包括電源、可控裝置、第一極板和第二極板及外殼，所述第一極板和所述第二極板通過(guò)導(dǎo)線連接電源，所述第一極板和第二極板固定在支架上，所述可控裝置用于提供不間斷的帶電粒子，所述帶電粒子能夠在電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)，并形成清晰可見(jiàn)的運(yùn)動(dòng)軌跡，所述外殼形成一個(gè)封閉的環(huán)境，使帶電粒子的運(yùn)動(dòng)免受外界的影響，所述電源為感應(yīng)起電機(jī)或高壓電源。本發(fā)明形象生動(dòng)、直觀地證明了電場(chǎng)力的存在，能夠觀察到帶電粒子在勻強(qiáng)電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)變化軌跡。
文檔編號(hào)G09B23/18GK103117015SQ20131007164
公開(kāi)日2013年5月22日 申請(qǐng)日期2013年3月6日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月6日
發(fā)明者陳曉莉, 宋藝華, 張集中, 于承霖, 呂宗友 申請(qǐng)人:西南大學(xué), 宋藝華