CN109272837B - 一种静电炮教学演示仪器及使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提一种静电炮教学演示仪器及使用方法，具体包括：具有携带电荷能力的球、静电筒绝缘外套、连接件、高压电源、静电筒、环状金属导体、静电筒内侧固定件和静电筒外侧固定件；本发明仅在静电筒内部每隔一段距离均匀放置一段环状金属导体，作为静电炮演示仪器的主体结构，再将各段环状金属导体分别交替与高压电源正极或者高压电源负极相连接，结构简单，易于实现；本发明操作方便，只要给演示者将具有携带电荷能力的球放置在静电炮炮口处，即可由静电炮自行演示出静电加速过程，使具有携带电荷能力的球从静电筒中发射出去；本发明成本低廉，容易被制造为教学仪器进行推广使用。
Description
技术领域
本发明属于教学演示用具领域，具体涉及一种静电炮教学演示仪器及使用方法。
背景技术
在教学活动中，教师通过向学生演示教具仪器，让学生对被演示的教具所展示的科学技术原理产生兴趣，从而掌握科学技术原理，提高教学效果。教具仪器是科技活动中不可缺少的器材，人们制作了各种以科技为基础的教具仪器，用以传播科技信息。
静电，就是一种处于静止状态的电荷或者说不流动的电荷。当电荷聚集在某个物体上或表面时就形成了静电，而电荷分为正电荷和负电荷两种，也就是说静电现象也分为两种即正静电和负静电。当正电荷聚集在某个物体上时就形成了正静电，当负电荷聚集在某个物体上时就形成了负静电，但无论是正静电还是负静电，当带静电物体接触零电位物体或与其有电位差的物体时都会发生电荷转移，就是我们日常见到火花放电现象。例如北方冬天天气干燥，人体容易带上静电，当接触他人或金属导电体时就会出现放电现象。人会有触电的针刺感，夜间能看到火花，这是化纤衣物与人体摩擦人体带上正静电的原因。
物质都是由分子构成，分子是由原子构成，原子由带负电荷的电子和带正电荷的质子构成。在正常状况下，一个原子的质子数与电子数量相同，正负平衡，所以对外表现出不带电的现象。但是电子环绕于原子核周围，一经外力即脱离轨道，离开原来的原子A而侵入其他的原子B，A原子因减少电子数而带有正电现象，称为阳离子；B原子因增加电子数而呈带负电现象，称为阴离子。造成不平衡电子分布的原因即是电子受外力而脱离轨道，这个外力包含各种能量。在日常生活中，任何两个不同材质的物体接触后再分离，即可产生静电。当两个不同的物体相互接触时就会使得一个物体失去一些电荷如电子转移到另一个物体使其带正电，而另一个物体得到一些剩余电子的物体而带负电。静电产生过程若在分离的过程中电荷难以中和，电荷就会积累使物体带上静电。所以物体与其它物体接触后分离就会带上静电。通常在从一个物体上剥离一张塑料薄膜时就是一种典型的"接触分离"起电，在日常生活中脱衣服产生的静电也是"接触分离"起电。
市场上很多产品及方法都是在避免静电带来的危害，而怎样利用静电产生巨大的动能，却很少有人从事这方面的研究，现阶段缺少一种教具演示仪器可以将静电的能量转化为动能，进行科学教学的演示。
发明内容
基于以上技术问题，本发明使用基础的物理原理，提出了一种静电炮教学演示仪器及使用方法，将电能转化为动能，使带电的小球穿过静电筒，并且使小球的动能不断增加，获得强大动能的小球就像炮一样被发射出去。
一种静电炮教学演示仪器，具体包括：具有携带电荷能力的球、静电筒绝缘外套、连接件、高压电源、静电筒、环状金属导体、静电筒内侧固定件和静电筒外侧固定件；
静电筒外侧固定件与静电筒绝缘外套相连接，静电筒绝缘外套通过静电筒内侧固定件与静电筒相连接，静电筒内侧每隔一段距离均匀放置一段环状金属导体，环状金属导体通过连接件与高压电源相连接；
所述具有携带电荷能力的球，具有携带电荷的能力，且其直径小于静电筒直径；
静电筒绝缘外套，采用绝缘材质制作的筒状绝缘外套，为静电筒提供完全绝缘的外表面其直径大于静电筒直径；
连接件，为导体，用于连接环状金属导体与高压电源；
高压电源为高压直流20千伏～25千伏之间；
静电筒为静电炮的炮筒，为静电场提供绝缘环境，采用绝缘材质制成；
环状金属导体，与高压电源配合为具有携带电荷能力的球提供电场，各段环状金属导体分别交替与高压电源正极或者高压电源负极相连接；其材质为铜箔或者铝箔；环状金属导体宽度小于等于4毫米。
静电筒内侧固定件，将静电筒固定在静电筒绝缘外套上；
静电筒外侧固定件，将静电筒绝缘外套固定在水平面上，与水平面夹角为θ；
具有携带电荷能力的球启动合力要求，即具有携带电荷能力的球能够穿过静电炮的条件为：
F＝QE-mgsinθ＞0
其中，F是具有携带电荷能力的球受到的合力，Q是具有携带电荷能力的球的电量，E是电场强度，m是具有携带电荷能力的球的质量，g是重力加速度，θ为静电筒绝缘外套轴线与水平面夹角；
所述一种静电炮教学演示仪器使用方法：接通高压电源，使静电炮中各段环状金属导体之间存在静电场，将具有携带电荷能力的球放置于静电炮的炮口处，并带上第一段环状金属导体所带电荷，在第一段环状金属导体与第二段环状金属导体所产生的电场力中，带上第一段环状金属导体所带电荷具有携带电荷能力的球，受到第一段环状金属导体所带的相同的电荷的排斥力，并受到第二段环状金属导体所带的不同电荷的吸引力，具有携带电荷能力的球获得加速度并向出炮口移动；当移动到第二段环状金属导体时，具有携带电荷能力的球电荷符号改变同时受到，第一段环状金属导体与第二段环状金属导体所产生的电场力，和第二段环状金属导体与第三段环状金属导体所产生的电场力吸引，此时具有携带电荷能力的球受电场力大小相等，方向相反，即具有携带电荷能力的球受到电场力合力为零，但因具有携带电荷能力的球已经获取加速度并具有速度，具有携带电荷能力的球依靠惯性会进一步移动到下一段电场中，并在第二段环状金属导体与第三段环状金属导体所产生的电场中，再次获得加速度，并且进一步使具有携带电荷能力的球加速，直到具有携带电荷能力的球从出炮口发射出去。
有益技术效果：
本发明公开一种静电炮教学演示仪器，其结构简单，仅在静电筒内部每隔一段距离均匀放置一段环状金属导体，作为静电炮演示仪器的主体结构，再将各段环状金属导体分别交替与高压电源正极或者高压电源负极相连接，结构简单，易于实现；
本发明操作方便，只要给演示者将具有携带电荷能力的球放置在静电炮炮口处，即可由静电炮自行演示出静电加速过程，使具有携带电荷能力的球从静电筒中发射出去；
本发明成本低廉，容易被制造为教学仪器进行推广使用。
附图说明
图1为本发明实施例的一种静电炮教学演示仪器原理图；
图2为本发明实施例的一种静电炮教学演示仪器固定方式示意图；
图3为本发明实施例的为本发明实施例的一种静电炮教学演示仪器固定方式示意图局部放大图；
图中：1-具有携带电荷能力的球，2-静电筒绝缘外套，3-连接件，4-高压电源，5-环状金属导体；6-静电筒；7-静电筒内侧固定件；8-静电筒外侧固定件；9-静电炮与水平面夹角θ，10-静电筒绝缘外套轴线。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施实例对发明做进一步说明，一种静电炮教学演示仪器，如图1与图2所示，具体包括：具有携带电荷能力的球1、静电筒绝缘外套2、连接件3、高压电源4、静电筒6、环状金属导体5、静电筒内侧固定件7和静电筒外侧固定件8；
静电筒外侧固定件8与静电筒绝缘外套1相连接，静电筒绝缘外套1通过静电筒内侧固定件7与静电筒6相连接，静电筒6内侧每隔一段距离均匀放置一段环状金属导体5，环状金属导体5通过连接件3与高压电源4相连接；
所述具有携带电荷能力的球1，具有携带电荷的能力，且其直径小于静电筒直径；
静电筒绝缘外套2，采用绝缘材质制作的筒状绝缘外套，为静电筒6提供完全绝缘的外表面其直径大于静电筒6直径；
连接件3，为导体，用于连接环状金属导体5与高压电源；
高压电源4为高压直流20千伏～25千伏之间，本实施例取25千伏；
静电筒6为静电炮的炮筒，为静电场提供绝缘环境，采用绝缘材质制成；
环状金属导体5，与高压电源4配合为具有携带电荷能力的球1提供电场，各段环状金属导体5分别交替与高压电源正极或者高压电源负极相连接；本实施例采用八段环状金属导体，第一、三、五、七段与高压电源正极相连接，第二、四、六、八段与高压电源负极相连接，其材质为铜箔或者铝箔；环状金属导体宽度尽可能窄，本实施例选择3.5毫米。
静电筒内侧固定件，将静电筒固定在静电筒绝缘外套上；
静电筒外侧固定件，将静电筒绝缘外套固定在水平面上，以与水平面夹角为θ，本实施例θ为5度，如图3所示，图3为图2在A处的放大图；
所述一种静电炮教学演示仪器使用方法：接通高压电源，使静电炮中各段环状金属导体之间存在静电场，将具有携带电荷能力的球放置于静电炮的炮口处，并带上第一段环状金属导体所带电荷，在第一段环状金属导体与第二段环状金属导体所产生的电场力中，带上第一段环状金属导体所带电荷具有携带电荷能力的球，受到第一段环状金属导体所带的相同的电荷的排斥力，并受到第二段环状金属导体所带的不同电荷的吸引力，具有携带电荷能力的球获得加速度并向出炮口移动；当移动到第二段环状金属导体时，具有携带电荷能力的球同时受到，第一段环状金属导体与第二段环状金属导体所产生的电场力，和第二段环状金属导体与第三段环状金属导体所产生的电场力中，此时具有携带电荷能力的球电场力大小相等，方向相反，即具有携带电荷能力的球受到电场力合力为零，但因具有携带电荷能力的球已经获取加速度并具有速度，具有携带电荷能力的球会进一步移动到下一段电场中，并在第三段环状金属导体与第四段环状金属导体所产生的电场中，再次获得加速度，并且进一步使具有携带电荷能力的球加速，直到具有携带电荷能力的球穿过第八段环状金属导体从出炮口发射出去。
具有携带电荷能力的球在静电炮中的受力分析：
具有携带电荷能力的球启动要求合力：
F＝QE-mgsinθ＞0；
具有携带电荷能力的球加速度：
经过第一段环状金属导体获得初速度：
中间第n段环状金属导体和出口速度vn：
其中，F是具有携带电荷能力的球受到的合力，Q是具有携带电荷能力的球的电量，E是电场强度，m是具有携带电荷能力的球的质量，g是重力加速度，θ为静电筒绝缘外套轴线10与水平面夹角，s为第n段环状金属导体与第n-1段环状金属导体之间的距离；
经过第一段环状金属导体与第二段环状金属导体之间后，即正负带电环之间，具有携带电荷能力的球获取到加速度，得到足够的初速度，之后当换一种电荷时两边对炮弹(具有携带电荷能力的球)的静电力为零,要靠惯性克服重力下滑力越过带电换再次加速,要求带电环尽可能的窄。
Claims (2)
1.一种静电炮教学演示仪器，其特征在于，一种静电炮教学演示仪器，具体包括具有携带电荷能力的球、静电筒绝缘外套、连接件、高压电源、静电筒、环状金属导体、静电筒内侧固定件和静电筒外侧固定件；
静电筒外侧固定件与静电筒绝缘外套相连接，静电筒绝缘外套通过静电筒内侧固定件与静电筒相连接，静电筒内侧每隔一段距离均匀放置一段环状金属导体，环状金属导体通过连接件与高压电源相连接；
所述具有携带电荷能力的球，具有携带电荷的能力，且其直径小于静电筒直径；
静电筒绝缘外套，采用绝缘材质制作的筒状绝缘外套，为静电筒提供完全绝缘的外表面其直径大于静电筒直径；
连接件，为导体，用于连接环状金属导体与高压电源；
高压电源为高压直流20千伏～25千伏之间；
静电筒为静电炮的炮筒，为静电场提供绝缘环境，采用绝缘材质制成；
环状金属导体，与高压电源配合为具有携带电荷能力的球提供电场，各段环状金属导体分别交替与高压电源正极或者高压电源负极相连接；其材质为铜箔或者铝箔；环状金属导体宽度小于等于4毫米；
静电筒内侧固定件，将静电筒固定在静电筒绝缘外套上；
静电筒外侧固定件，将静电筒绝缘外套固定在水平面上，与水平面夹角为θ；
具有携带电荷能力的球启动合力要求，即具有携带电荷能力的球能够穿过静电炮的条件为：
F＝QE-mgsinθ＞0
其中，F是具有携带电荷能力的球受到的合力，Q是具有携带电荷能力的球的电量，E是电场强度，m是具有携带电荷能力的球的质量，g是重力加速度，θ为静电筒绝缘外套轴线与水平面夹角。
2.一种静电炮教学演示仪器的使用方法，采用权利要求1所述一种静电炮教学演示仪器实现，其特征在于，所述一种静电炮教学演示仪器使用方法：接通高压电源，使静电炮中各段环状金属导体之间存在静电场，将具有携带电荷能力的球放置于静电炮的炮口处，并带上第一段环状金属导体所带电荷，在第一段环状金属导体与第二段环状金属导体所产生的电场力中，带上第一段环状金属导体所带电荷具有携带电荷能力的球，受到第一段环状金属导体所带的相同的电荷的排斥力，并受到第二段环状金属导体所带的不同电荷的吸引力，具有携带电荷能力的球获得加速度并向出炮口移动；当移动到第二段环状金属导体时，具有携带电荷能力的球电荷符号改变同时受到，第一段环状金属导体与第二段环状金属导体所产生的电场力，和第二段环状金属导体与第三段环状金属导体所产生的电场力吸引，此时具有携带电荷能力的球受电场力大小相等，方向相反，即具有携带电荷能力的球受到电场力合力为零，但因具有携带电荷能力的球已经获取加速度并具有速度，具有携带电荷能力的球依靠惯性会进一步移动到下一段电场中，并在第二段环状金属导体与第三段环状金属导体所产生的电场中，再次获得加速度，并且进一步使具有携带电荷能力的球加速，直到具有携带电荷能力的球从出炮口发射出去。
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