專利名稱：?jiǎn)螌又弊x式靜電場(chǎng)描繪儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種能在測(cè)量電勢(shì)U的同時(shí)直讀出分布半徑R的物理電磁學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器。
靜電場(chǎng)是物理學(xué)的一個(gè)重要基本概念。靜電場(chǎng)的電場(chǎng)電勢(shì)U與分布半徑R之間的關(guān)系是電場(chǎng)存在的有力證據(jù)。在物理教學(xué)中，為了促進(jìn)學(xué)生對(duì)電場(chǎng)這個(gè)看不見(jiàn)、摸不著卻又確實(shí)存在的特殊物質(zhì)的理解，需定量或定性地研究電場(chǎng)電勢(shì)U與分布半徑R之間的變化關(guān)系。這種研究電勢(shì)U與分布半徑R關(guān)系的儀器就是靜電場(chǎng)描繪儀。由于直接測(cè)量電場(chǎng)的電勢(shì)U技術(shù)上困難大難以實(shí)現(xiàn)，所以傳統(tǒng)的靜電場(chǎng)描繪儀都采用碳膜導(dǎo)電紙上的穩(wěn)恒電流場(chǎng)(同靜電場(chǎng)分布一致，可以通過(guò)理論推導(dǎo)證明)模擬靜電場(chǎng)的分布。在實(shí)際應(yīng)用中，測(cè)量電勢(shì)用電壓表可以直接讀出，但由于碳膜導(dǎo)電紙不透明，測(cè)量半徑則不得不采用其它間接的方法。截止目前的解決方案有兩種。一種方法是導(dǎo)電紙高壓打孔法用金屬圓柱、圓環(huán)、導(dǎo)電紙模擬靜電場(chǎng)分布，其中金屬圓柱和圓環(huán)分別為兩個(gè)電極接上電源。在測(cè)量電勢(shì)時(shí)找到一個(gè)等勢(shì)點(diǎn)，使用高電壓在導(dǎo)電紙的相應(yīng)位置上打一個(gè)孔，繞金屬圓柱轉(zhuǎn)一周后，取出導(dǎo)電紙，用圓規(guī)把這些等勢(shì)點(diǎn)連接起來(lái)，用直尺測(cè)量半徑R，準(zhǔn)確值在毫米數(shù)量級(jí)。(摘自河南師大物理實(shí)驗(yàn)講義)這種方法的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，原理清晰。缺點(diǎn)是一張導(dǎo)電紙只能使用一次，由于導(dǎo)電紙上孔的影響，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差大。另外一種方法是采用雙層結(jié)構(gòu)下邊一層是用來(lái)模擬靜電場(chǎng)分布的金屬圓柱、圓環(huán)、導(dǎo)電紙，用導(dǎo)電紙上的穩(wěn)恒電流場(chǎng)的電壓模擬電場(chǎng)的電勢(shì)U，上邊一層做記錄臺(tái)放置記錄紙。探針用上下對(duì)稱的兩根鋼針組成。測(cè)量時(shí)，下邊探針測(cè)量出電壓即電場(chǎng)電勢(shì)U，上邊探針在記錄紙上打眼記錄。繞中心轉(zhuǎn)一周后，用圓規(guī)把記錄紙上的眼連接起來(lái)，用米尺測(cè)出半徑R(摘自管壽滄、戴宗武合編《普通物理實(shí)驗(yàn)》90版第111頁(yè))。這種方法雖較前一種有進(jìn)步，但仍有實(shí)驗(yàn)操作復(fù)雜，間接讀半徑誤差大，實(shí)驗(yàn)時(shí)間長(zhǎng)、儀器造價(jià)高等缺點(diǎn)。這兩種儀器都不能在測(cè)量電勢(shì)U的同時(shí)讀出半徑，既不能解決模擬與讀半徑之間的物理矛盾，也不能及時(shí)排除金屬圓環(huán)與導(dǎo)電紙接觸不良帶來(lái)的分布圓變形問(wèn)題，實(shí)驗(yàn)誤差大，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)只能精確到毫米級(jí)，實(shí)驗(yàn)時(shí)間長(zhǎng)。因此這兩種儀器的缺點(diǎn)是共同的。
本實(shí)用新型的目的是提供一種原理簡(jiǎn)單、使用方便、造價(jià)低廉的能在測(cè)量電勢(shì)U的同時(shí)直讀半徑R、糾正金屬圓環(huán)與導(dǎo)電紙接觸不良帶來(lái)的誤差的單層結(jié)構(gòu)的物理電磁學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器－－單層直讀式靜電場(chǎng)描繪儀。
本實(shí)用新型主要由絕緣底板、導(dǎo)電紙、金屬圓柱、金屬圓環(huán)和電勢(shì)探針等組成。本實(shí)用新型的發(fā)明人在反復(fù)研究現(xiàn)有雙層結(jié)構(gòu)的靜電描繪儀的基礎(chǔ)上，找出了一種可以解決模擬與讀半徑之間物理矛盾的方法，采用外環(huán)內(nèi)扇形導(dǎo)電紙代換平面導(dǎo)電紙，即把圓形導(dǎo)電紙分成若干個(gè)扇形區(qū)間，每隔一個(gè)扇形區(qū)挖掉相鄰的一個(gè)扇形區(qū)的導(dǎo)電紙?？梢酝ㄟ^(guò)理論和實(shí)驗(yàn)證明扇形導(dǎo)電紙中線上的電流場(chǎng)的電壓分布同平圓導(dǎo)電紙的電流場(chǎng)電壓分布一致。為了使挖缺后的導(dǎo)電紙易保存，在金屬圓柱下部分(0＜R≤10)和金屬圓環(huán)下部分(50≤R≤60)的導(dǎo)電紙保留，僅挖掉(10≤R≤50毫米)內(nèi)的隔一相間的扇形導(dǎo)電紙，形成外環(huán)內(nèi)扇形導(dǎo)電紙。關(guān)于挖缺后的外環(huán)內(nèi)扇形導(dǎo)電紙的扇形區(qū)間的數(shù)量，本發(fā)明人通過(guò)理論和實(shí)驗(yàn)得出在導(dǎo)電紙上測(cè)量電壓，實(shí)際上是探針從導(dǎo)電紙上吸取電流引起電壓表指針偏轉(zhuǎn)，吸取量的大小與表的靈敏度有關(guān)。從表面上看吸取量與電表的內(nèi)阻成反比。由于探針吸取電流會(huì)引起探針周圍的電場(chǎng)發(fā)生變化。在圓形導(dǎo)電紙上測(cè)量電壓，僅需考慮探針兩側(cè)的變化，探針的影響區(qū)域是一個(gè)扇形區(qū)域。在圓形導(dǎo)電紙上用內(nèi)阻為一萬(wàn)歐的電壓表測(cè)電壓，探針對(duì)兩側(cè)的影響小于5度圓內(nèi)角，合起來(lái)也就是只有10度圓內(nèi)角。在10度扇形區(qū)外，沒(méi)有發(fā)生變化。因此可把圓形導(dǎo)電紙分為(N≤36)個(gè)扇形，實(shí)際使用8－36個(gè)扇形區(qū)域。
把分割后形成的外環(huán)內(nèi)扇形導(dǎo)電紙下裝置同心圓座標(biāo)紙，該同心圓座標(biāo)紙由間距1毫米的同心圓構(gòu)成圓座標(biāo)紙的刻度，其半徑略大于金屬圓環(huán)的外半徑。用金屬圓柱和金屬圓環(huán)以及配套的五個(gè)螺絲固定在絕緣塊材上(金屬圓柱上一個(gè)螺絲，圓環(huán)上四個(gè)螺絲相隔90度)。在圓柱、圓環(huán)上通以直流電壓，在扇形區(qū)間的導(dǎo)電紙中央測(cè)量電壓找出等勢(shì)點(diǎn)，由兩側(cè)空缺扇形區(qū)漏出的圓坐標(biāo)紙上讀出此點(diǎn)的半徑R，用目測(cè)法即可讀到毫米數(shù)量級(jí)上。為了進(jìn)一步提高測(cè)量半徑的準(zhǔn)確度，在圓柱和圓環(huán)之間的外環(huán)內(nèi)扇形導(dǎo)電紙上設(shè)置扇形游標(biāo)盤。扇形游標(biāo)盤由透明板材做底，用間隔0.90～0.98mm的圓弧線制成刻度。扇形游標(biāo)盤的中央有供電壓探針活動(dòng)的不連續(xù)細(xì)縫。扇形游標(biāo)盤的內(nèi)圓弧的曲率半徑同金屬圓柱的半徑相同，外圓弧的曲率半徑小于金屬圓環(huán)的曲率半徑，扇形游標(biāo)盤的弧長(zhǎng)至少大于外環(huán)內(nèi)扇形導(dǎo)電紙的三個(gè)扇形區(qū)間的弧長(zhǎng)和。利用圓座標(biāo)紙刻度和扇形游標(biāo)盤的刻度之差－－即游標(biāo)卡尺的讀數(shù)原理，測(cè)量時(shí)把扇形游標(biāo)盤的細(xì)縫對(duì)準(zhǔn)外環(huán)內(nèi)扇形導(dǎo)電紙的扇形導(dǎo)電紙的中間，用電壓探針測(cè)量電勢(shì)U，在扇形游標(biāo)盤刻度的幫助下讀出半徑R的毫米級(jí)大數(shù)來(lái)。然后再推扇形游標(biāo)盤，使其游標(biāo)盤刻度對(duì)在電壓探針上，由于此時(shí)兩刻度之差，數(shù)出最先重合的刻度數(shù)，乘以差值，即是半徑R的小數(shù)。如選用扇形游標(biāo)盤的刻度為0.98mm，從電壓探針起10格后對(duì)齊，此時(shí)的小數(shù)便為0.02×10＝0.20mm。采用分割原理和圓坐標(biāo)紙與扇形游標(biāo)盤徹底解決了模擬和讀半徑之間的物理矛盾，也提高了測(cè)量半徑的準(zhǔn)確度，約為2個(gè)數(shù)量級(jí)。對(duì)于分割后扇形區(qū)間的最佳數(shù)據(jù)將在實(shí)施方案提出。
本實(shí)用新型的特點(diǎn)是(1)在測(cè)量電勢(shì)U的同時(shí)可以測(cè)量半徑R，實(shí)驗(yàn)原理簡(jiǎn)單明潦，實(shí)驗(yàn)操作方便，實(shí)驗(yàn)時(shí)間大大縮短。(2)能及時(shí)糾正由于圓環(huán)與導(dǎo)電紙接觸不良引起的電勢(shì)分布圓變形，減小了實(shí)驗(yàn)誤差，增強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)的說(shuō)服力。(3)由于配上了扇形游標(biāo)盤，克服圓規(guī)連接、米尺測(cè)半徑的誤差，使R的測(cè)量精度可達(dá)0.02mm，約比米尺測(cè)量提高了2個(gè)數(shù)量級(jí)。(4)由于采用單層結(jié)構(gòu)，儀器的造價(jià)和使用費(fèi)下降一半以上，價(jià)格性能比大幅度提高，除滿足各級(jí)各類高校定量物理實(shí)驗(yàn)外，還可望在高中，各類中等專業(yè)學(xué)校普及推廣使用。


圖1是外環(huán)內(nèi)扇形導(dǎo)電紙圖2是同心圓座標(biāo)紙(毫米細(xì)節(jié)未畫)圖3是讀數(shù)原理示意圖圖4是扇形游標(biāo)盤(毫米細(xì)節(jié)未畫)圖5是結(jié)構(gòu)示意圖具體實(shí)施舉例在實(shí)際應(yīng)用中有兩個(gè)基本原則(1)盡量提高導(dǎo)電紙的使用壽命；(2)在挖缺時(shí)盡量增加可能測(cè)量電壓的扇形區(qū)數(shù)目。按照這兩個(gè)原則，本實(shí)用新型的發(fā)明人結(jié)合導(dǎo)電紙撕破力與分割挖缺數(shù)目進(jìn)行了優(yōu)選。很明顯挖缺后的扇形區(qū)越小，外環(huán)內(nèi)扇形導(dǎo)電紙?jiān)讲灰妆４媾c使用。因此優(yōu)選的結(jié)果是12－－24個(gè)扇形區(qū)為宜。為使挖缺后盡量提高可供測(cè)量的扇形區(qū)數(shù)目。挖缺扇形區(qū)的圓內(nèi)角α挖應(yīng)小于保留扇形區(qū)的圓內(nèi)角α保。α挖／α?！?且α挖／α保≥0.33。本例選α挖＝15度，α保＝30度，α挖／α保＝1／2，分割區(qū)的總數(shù)N＝16。形成如
圖1所示的外環(huán)內(nèi)扇形導(dǎo)電紙［1］，［2］和［3］分別表示扇形導(dǎo)電區(qū)(圓心角為30度)和扇形挖缺區(qū)(圓心角為15度)。在導(dǎo)電紙下填一同心圓刻度的坐標(biāo)紙［4］，如圖2。每條刻度間隔1mm，每隔5mm用粗刻度線標(biāo)出。把絕緣板、圓坐標(biāo)紙［4］，外環(huán)內(nèi)扇形導(dǎo)電紙［1］，金屬圓柱［5］，圓環(huán)［6］依次用螺絲固定起來(lái)(見(jiàn)圖5)。把圓柱和圓環(huán)作為兩個(gè)電極接通電源，扇形導(dǎo)電紙上的電勢(shì)U就代表了同軸電纜內(nèi)部的電場(chǎng)電勢(shì)U，由于導(dǎo)電紙的導(dǎo)電紙是隔一挖一，這樣在扇形區(qū)導(dǎo)電紙［2］上測(cè)量電勢(shì)U，在兩側(cè)空缺扇形區(qū)［3］露出的圓坐標(biāo)紙［4］上用目測(cè)法就可以讀出半徑R，如圖3所示。為進(jìn)一步提高測(cè)量準(zhǔn)確度，采用扇形游標(biāo)盤(見(jiàn)圖4)精讀半徑R。扇形游標(biāo)盤［7］是帶有圓弧游標(biāo)刻度的透明板制成。本例中游標(biāo)刻度是間隔0.98mm的圓弧線，扇形盤中間有一細(xì)縫［8］供探針活動(dòng)。測(cè)量時(shí)，把游標(biāo)盤放在導(dǎo)電紙上，使游標(biāo)盤中間細(xì)縫對(duì)準(zhǔn)扇形導(dǎo)電紙的中線，用探針［9］測(cè)出電勢(shì)U，見(jiàn)圖3A、B點(diǎn)，在游標(biāo)盤的幫助下，由兩側(cè)空缺部分露出的圓坐標(biāo)紙上讀出半徑R的毫米數(shù)，再前推游標(biāo)盤，利用游標(biāo)原理，讀出R的十分位百分位小數(shù)來(lái)。A、B為電勢(shì)測(cè)量點(diǎn)，RA，RB為對(duì)應(yīng)半徑。這樣，就可以使R的測(cè)量準(zhǔn)確在0.02mm數(shù)量級(jí)，把八個(gè)扇形區(qū)的R求平均值，列出U－R表，即完成了靜電場(chǎng)定量描繪實(shí)驗(yàn)。
權(quán)利要求1.一種用導(dǎo)電紙模擬法測(cè)量靜電場(chǎng)電勢(shì)U與分布半徑R關(guān)系的物理電磁學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器-單層直讀式靜電場(chǎng)描繪儀，主要由絕緣底板、導(dǎo)電紙、金屬圓柱、金屬圓環(huán)和電勢(shì)探針等組成，其特征是用外環(huán)內(nèi)扇形導(dǎo)電紙[1]代換通常的平面導(dǎo)電紙，在外環(huán)內(nèi)扇形導(dǎo)電紙下裝置有同心圓座標(biāo)紙[4]，在圓柱和圓環(huán)之間外環(huán)內(nèi)扇形導(dǎo)電紙上設(shè)置有扇形游標(biāo)盤[7]。
2.按照權(quán)利要求1所述的單層直讀式靜電場(chǎng)描繪儀，其特征在于外環(huán)內(nèi)扇形導(dǎo)電紙是把平面圓形導(dǎo)電紙分成8－－36個(gè)扇形區(qū)間，每隔一個(gè)扇形區(qū)挖掉相鄰的一個(gè)扇形區(qū)的導(dǎo)電紙，形成隔一相間的扇形導(dǎo)電紙區(qū)和扇形挖缺區(qū)，其中在金屬圓柱和金屬圓環(huán)下的導(dǎo)電紙不挖缺全部保留。
3.按照權(quán)利要求1所述的單層直讀式靜電場(chǎng)描繪儀，其特征在于同心圓座標(biāo)紙［4］是由間距1毫米的同心圓構(gòu)成圓坐標(biāo)紙的刻度，其半徑略大于金屬圓環(huán)的外半徑。
4.按照權(quán)利要求1所述的單層直讀式靜電場(chǎng)描繪儀，其特征在于扇形游標(biāo)盤［7］是由透明材料做底材，用間隔為0.90－－0.98mm的圓弧線構(gòu)成刻度，扇形內(nèi)圓弧的曲率半徑等于金屬圓柱的半徑，扇形外圓弧的曲率半徑略小于金屬圓環(huán)的內(nèi)半徑，扇形弧長(zhǎng)至少大于三個(gè)外環(huán)內(nèi)扇形導(dǎo)電紙的三個(gè)扇形區(qū)的弧長(zhǎng)的和，扇形中間有一供電勢(shì)探針活動(dòng)的不連續(xù)細(xì)縫［8］。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種能在測(cè)量電勢(shì)U的同時(shí)直讀出分布半徑R的物理電磁學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器。其特點(diǎn)是采用單層結(jié)構(gòu)，導(dǎo)電紙為外環(huán)內(nèi)扇形結(jié)構(gòu)，下面裝有圓坐標(biāo)紙，金屬圓環(huán)與金屬圓柱之間裝置有扇形游標(biāo)盤。克服了原雙層式電場(chǎng)描繪儀的體積大，造價(jià)高，間接讀半徑R的缺點(diǎn)，具有原理簡(jiǎn)單，操作方便，實(shí)驗(yàn)時(shí)間短，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，儀器造價(jià)低的優(yōu)點(diǎn)，是靜電場(chǎng)描繪的理想儀器，適用于大學(xué)和中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)。
文檔編號(hào)G09B23/00GK2160965SQ93206150
公開(kāi)日1994年4月6日 申請(qǐng)日期1993年7月8日 優(yōu)先權(quán)日1993年7月8日
發(fā)明者南引明 申請(qǐng)人:南引明