CN203085043U - 多功能静电学实验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种多功能静电学实验装置，包括电源、可控装置、第一极板和第二极板及外壳，所述第一极板和所述第二极板通过导线连接电源，所述第一极板和第二极板固定在支架上，所述可控装置用于提供不间断的带电粒子，所述带电粒子能够在电场中运动，并形成清晰可见的运动轨迹，所述外壳形成一个封闭的环境，使带电粒子的运动免受外界的影响，所述电源为感应起电机或高压电源。本实用新型形象生动、直观地证明了电场力的存在，能够观察到带电粒子在匀强电场中的运动变化轨迹。

Description

多功能静电学实验装置

技术领域

本实用新型属于涉及一种实验装置，特别涉及一种能够演示带电粒子在电场中运动规律和探究与平行板电容器电容大小相关因素的多功能静电学实验装置。

背景技术

目前，“带电粒子在匀强电场中的运动”是高中物理中电学与力学的综合问题，是教学中的一个重点内容。由于目前没有直接显示该运动径迹变化的演示实验，因而也是一个教学难点。阴极射线管、静电偏转式示波管等仪器虽然可以演示阴极发出的电子束在电场力作用下的偏转，然而它只能让我们通过观察电子束打到荧光屏上的轨迹来想象电子运动过程，不能直观地观察到电子在电场中的运动轨迹情况。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型的目的在于提供一种能够直观形象地观察到带电粒子在电场中运动情况并且能够探究与平行板电容器的电容大小相关因素的多功能静电学实验装置。

为达到上述目的，本实用新型提供如下技术方案：多功能静电学实验装置，包括电源、第一极板和第二极板，第一极板和第二极板通过导线与电源连接，还包括不断提供在两极板间形成清晰可见的运动轨迹的带电粒子的可控装置。

进一步，所述带电粒子为带电液滴。

进一步，还包括外壳和支架，所述外壳两侧设置有滑槽，所述支架穿过外壳两侧固定第一极板和第二极板。

进一步，所述电源为感应起电机或高压电源。

进一步，所述可控装置中安装在极板上或安装在外壳顶部。

进一步，所述外壳顶部设置有照明灯。

进一步，所述外壳底部设置有接水槽。

本实用新型的有益效果在于：

本实用新型取材容易，制作简单，将其用于物理教学，极大地提高了学生对这部分知识的学习兴趣。原来看不到的电场力，看不见的带电粒子及其在匀强电场中的运动变化轨迹，在这个实验里都得到了再现，形象生动，印象深刻，为学生解决这类物理问题提供了直观的模型。

本实用新型的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本实用新型的实践中得到教导。本实用新型的目标和其他优点可以通过下面的说明书和权利要求书来实现和获得。

附图说明

为了使本实用新型的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本实用新型提供如下附图进行说明：

图1为本实用新型装置结构示意图；

图2为带电粒子在电场中运动原理示意图；

图3为带电粒子在匀强电场中的加速运动现象示意图；

图4、5、6、7为带电粒子在匀强电场中的偏转运动现象示意图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本实用新型的优选实施例进行详细的描述。

如图1所示，本实用新型提供一种多功能静电学实验装置，包括电源1、第一极板51、第二极板52、可控装置8、光源7、外壳6和支架3。第一极板51和第二极板52通过导线与电源1连接；可控装置8与电源5的一极连接，能够不间断提供带电粒子，带电粒子能够在电场中运动，形成清晰可见的运动轨迹，可控装置8的位置可变并且提供带电粒子的速度可变。所述外壳形成一个密闭的环境，使带电粒子的运动免受外界的影响。外壳6两侧设置有滑槽4，所述支架3穿过外壳两侧固定第一极板51和第二极板52，并通过外壳6两侧的滑槽4来改变两极板的正对面积，支架可以左右移动，从而改变两极板间的距离。

所述带电粒子为可控装置8提供的带电液滴（食盐水、酒精等能够带电的液体），所述可控装置安装在极板上或安装在外壳顶部。所述电源5为感应起电机或高压电源。

所述外壳顶部设置有照明灯7，便于观察带电粒子的运动轨迹，增大可见度。所述外壳底部设置有接水槽2。

下面描述多功能静电学实验装置的实验原理。

（1）带电粒子在平行板电容器电场中受到的电场力

平行板电容器的两极板上带上等量异种电荷或加上电压后，内部电场可以看成匀强电场，如果两极板间距离为d，两极间电压为U，则内部电场的电场强度为

带电量为q的粒子在其中受到的电场力为

使用两块极板形成一对平行板电容器，将静电高压电源连接在两极板上，在极板间便形成匀强电场，用带电的水滴模拟带电粒子。带电水滴通过两极板间时产生加速或偏转运动，说明带电水滴受到了电场力的作用。改变加在极板间的电压大小来改变电场的强度，可以看到带电水滴运动状态的改变，从而说明电场力的大小与电场强度相关。

（2）带电粒子在匀强电场中的运动规律

带电粒子在电场中因受到电场力的作用，其运动状态会发生改变。原来静止的或具有电场力方向初速度的带电粒子会沿着电场力方向作加速直线运动；具有垂直电场力方向初速度的带电粒子会发生偏转。

如图2所示，假设带正电粒子的质量为m，以初速度v₀垂直于电场力方向进入电场，板长为l，板间距离为d，两极板间的电压为U。粒子在竖直方向上由于有个初速度，将会做匀速直线运动；在水平方向上，粒子受到的电场力做匀加速直线运动。粒子在竖直方向上做匀速直线运动，水平方向上做匀加速直线运动，其合运动与平抛运动类似。我们把粒子沿垂直于板面方向（初速度方向）偏移的距离叫做偏转量S，由牛顿第二定律和匀变速直线运动规律可以推出，

可见偏转量S与带电粒子的质量m、初速度v₀、板长l，板间距离d，两极板间的电压U、粒子带电量q有关。

（3）平行板电容器的电容

电容器是储存电荷的容器，储存电荷量Q的多少与两极板间电压U和电容器的电容C大小有关，其关系式为由此式变形可以得到计算电容器电容大小的计算式

对于平行板电容器而言，其电容C的大小由两极板间的距离d、两极板间的正对面积S、两极板间插入介质的介电常数ε共同决定，决定式为

联立计算式和决定式可得到， $U=\mathrm{CQ}=\frac{\mathrm{\ϵs}}{4\mathrm{\πkd}}Q.$

当Q一定时，分别改变两极板间的距离d、两极板正对面积S、在两极板插入介质来改变电容C的大小，电容的变化会引起电压U的变化，U的变化会引起水滴的偏转程度发生变化。实验时，可以通过观察在改变电容C前后，水滴的偏转程度来判断电压U的大小变化，进而确定电容C是增大还是减小。

下面详细描述多功能静电学实验装置制作过程。

1．制作可控带电滴液装置

用一套吊瓶输液器与100ml玻璃瓶或塑料瓶瓶口连接便制成一个可控带电滴液装置，输液瓶为储液装置，将输液装置中针头稍加打磨制成滴液针头。

截取一段细铜棒（50mm左右）将其一端磨尖，另一端焊接在导线的一端，导线另一段焊接在一个鳄鱼夹上。将鳄鱼夹夹在高压电源的一极上，铜棒尖端插入塑料瓶内的水中，可让水带上正电或负电。

2．制作两块极板

截取两块直径约为100mm的圆形铜板，用砂纸把表面和边缘磨光滑。在两板圆心处打直径约为3mm的小孔，在板上方边缘打一个大头针大小的小孔。

3．制作外壳、支架和水槽

（1）外壳

用若干木条做一个外壳支架；在外壳两侧面和上面的密度板相应位置打孔及滑槽；利用空心塑料棒作为支架分别将两块铜板连接起来，空心塑料棒可以左右移动以改变极板间距离，可以通过滑槽来改变极板的正对面积，塑料棒末端各固定一颗螺丝，铜板和螺丝之间焊接一根导线，以便给铜板带电；然后用角铁、若干螺丝和粘胶将各面板固定在外壳支架上，正面用透明有机玻璃板并可以上下滑动，在背面里侧贴上黑色的纸做背景以便观察实验现象。在外壳的顶部安装一个LED小灯泡，用于照亮液滴运动轨迹，增大可见度。

（2）伸缩支架

用空心PVC管作支架的外套管，橡胶棒作支架延长管（长短自取），并在PVC套管和在套管内移动的橡胶棒上相距50mm相对位置上钻3mm的孔，用2段长约80mm、直径为3mm的不锈钢丝做插销，用长约150mm、直径约5mm的铜棒做支架横杆，PVC管固定在外壳背面。

（3）水槽

把泡沫中间挖空或用铁皮（有机玻璃板）做一个无盖的盒子作为接水槽用于接滴下来的水滴。

下面详细描述多功能静电学实验装置演示带电粒子在不同情况下电场中的运动情况的使用步骤：

1．演示带电粒子在匀强电场中的加速运动

调节好两极板的距离，打开上方的光源，把可控带电滴液的针头插在一块极板上方边沿的小孔内，使针头成水平状。在塑料瓶内倒入加了适量盐或酒精的水，然后打开滴水开关，调节到每秒两滴。

如图3所示，打开高压电源，逐步把电压从0升高到20kV左右。可以看到电压较低（如5kV）时，电场力较小，水滴的重力不能忽略，水滴在水平电场力与向下重力的合力作用下作斜偏向另一块极板的匀加速直线运动；当电压增大到20kV左右时，电场力远远大于其重力，就可以忽略重力，水滴只在水平电场力作用下作匀加速直线运动，水滴变为一条接近水平直线的急速水流。通过反复调节高压电源的电压，对比观察水滴运动状况，可以清楚看到带电粒子（水滴）在匀强电场中沿电场力方向的加速运动情况。

2．演示或探究带电粒子在匀强电场中受到的电场力与电场强度的关系

演示方法同上，改变加在两极板间的电压大小，水滴的运动路径发生改变，说明水滴受到的力发生了改变，重力大小不变的情况下就说明电场力大小发生了改变。电压越大，水滴斜偏向正极板程度越大，说明受到的电场力越大。

3．定性演示带电粒子在匀强电场中的偏转现象

调节好两铜板的距离，下方放好接水槽，打开上方光源。把可控带电水滴装置的针头插在两铜板之间上方的外壳顶板小孔中，使针头成竖直状。在塑料瓶内倒入加了适量盐或酒精的水，然后打开滴水开关，调节到每秒约二、三滴。如图4所示。

（1）鳄鱼夹不接任何电极，水滴不带电荷，打开高压电源，不管电压为多少，观察到水滴穿过匀强电场后作竖直下落运动。如图5所示。

（2）关上高压电源，鳄鱼夹接到正电极一端，然后打开高压电源至10kV左右，瓶中水带正电荷，穿过匀强电场的水滴受电场力的作用，观察到水滴运动轨迹偏向负极板。如图6所示。

（3）关上高压电源，鳄鱼夹接到负电极一端，然后打开高压电源至10kV左右，带负电荷的下落水滴穿过匀强电场时，观察到水滴运动轨迹偏向正极板。如图7所示。

4.探究带电粒子在匀强电场中偏转运动的偏转量与哪些因素有关

实验装置组装与3同。控制滴水速度不变，可以认为水滴的电量q、质量m是一定的，由于极板长度l也是一定的，根据控制变量法，保持两极板间的电压U、板间距离d一定，将支架向上伸长或向下缩短以增大或减小水滴的初速度v₀，由偏转量的变化情况探究偏转量与初速度v₀的关系；保持两极板间的电压U、水滴的初速度v₀一定，改变板间距离d，由偏转量的变化情况探究偏转量与板间距离d的关系；保持水滴的初速度v₀、板间距离d一定，改变两极板间的电压U，由偏转量的变化情况探究偏转量与两极板间电压U的关系。

5．探究或演示平行板电容器电容与哪些因素有关

实验装置组装与3同。保持极板上电量一定，将一个极板的位置向上移动固定在另一个位置可以改变两极板的正对面积、左右滑动极板可以改变极板间距离或者在极板间插入介质板以改变介电常数，由观察到的偏转量的变化情况推知电压的变化情况，进而由电压的变化情况得知电容的变化情况。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本实用新型进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本实用新型权利要求书所限定的范围。

Claims (7)

1.多功能静电学实验装置，包括电源、第一极板和第二极板，第一极板和第二极板通过导线与电源连接，其特征在于：还包括不断提供在两极板间形成清晰可见的运动轨迹的带电粒子的可控装置。

2.根据权利要求1所述多功能静电学实验装置，其特征在于：所述带电粒子为带电液滴。

3.根据权利要求1所述多功能静电学实验装置，其特征在于：还包括外壳和支架，所述外壳两侧设置有滑槽，所述支架穿过外壳两侧固定第一极板和第二极板。

4.根据权利要求1所述多功能静电学实验装置，其特征在于：所述电源为感应起电机或高压电源。

5.根据权利要求3所述多功能静电学实验装置，其特征在于：所述可控装置安装在极板上或安装在外壳顶部。

6.根据权利要求3所述多功能静电学实验装置，其特征在于：所述外壳顶部设置有照明灯。

7.根据权利要求3所述多功能静电学实验装置，其特征在于：所述外壳底部设置有接水槽。

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