CN2418543Y - 库仑定律演示仪 - Google Patents

Abstract

一种用于物理教学中,涉及静电学验证库仑定律的教学实验仪器。它是在已有的库仑纽秤实验仪器中,两个金属小球作为两个点电荷,这一设定的基础上,重新设计实验箱,上部安装专用表头,表头下端为摆杆,摆杆下端安上摆球a,在表头摆柱穿过摆杆的上方,为重心调节平衡杆,使摆球a能在微重力情况下做实验,演示箱后面板的底部为等距离刻度的平面镜,左侧为角度指示盘,用于测量小球a、b的间距和偏角θ。

Description

库仑定律演示仪

本实用新型涉及物理静电学教学中，一种演示验证库仑定律的物理教学仪器。

目前，物理教学中公知的库仑纽秤，它是由两个带电金属球，金属细丝，纽力指示盘组成。给金属小球C、A带同种电荷产生的斥力，使金属细丝扭转一定角度，用来指示电荷间作用力的大小。但是，由于实验的绝缘程度要求高，仪器易受环境影响而降低绝缘度，角度指示误差较大，而且，不能测出两金属小球的间距r的值，教学上直观性较差，难以按要求做出实验。

本实用新型的目的是为物理教学提供一种新型的演示验证库仑定律的教学仪器，它能对库仑定律的演示，有很明显的演示观察效果，根据测试的数据，能准确地验证库仑定律。

本实用新型的目的是这样实现的：外形为上窄下宽的演示箱体，下边左侧成圆弧形，箱体顶部后被板打孔，安装一个绝缘筒，把带小球a和摆杆的专用表头，装好固定在绝缘筒中，引出导线；在外壳右下侧钻孔，粘合一根空心塑料管，使前端装有小球b的绝缘棒能自由穿过塑料管，引出导线，把两导线接到演示箱右上侧接线柱上，引出共用导线。摆杆为金属和绝缘细杆两种。若用外接高压源，例如电子感应圈的一端放电杆，接入共用导线作演示，则用金属细杆作摆杆，用绝缘棒上的小球b与金属摆杆上的摆球a做实验；如果用丝绸(或毛皮)摩擦玻棒(或胶棒)给小球带电的方法，则换上绝缘细杆作小球b的摆杆。

在演示箱的后面板下面安装平面镜，标上等距离刻度线，面板中心为零刻度，便于观察小球a和移动小球b带上同种电荷时，a受库仑排斥力作用，偏转的距离和小球a、b间的间距，平面镜左侧贴一个透明圆弧刻度板，面板中心为零刻度，刻度单位为度，以测定小球往左偏转角度的大小；演示箱外壳右侧中部位置安装一个照明小灯泡；在一个移动底座的转动棒上，插入支杆，另一端固定一个小球b，通过转动棒转动支杆可改变小球的高低位置，使小球a和b在实验时，始终能调节到水平位置，表明a在水平方向受到b的库仑力作用。专用表头部分：由能带电的小球a、摆杆、摆柱、重心调节平衡杆组成摆动系统，小球a挂在摆杆下端，摆柱的上方为重心调节平衡杆；表头圆环上嵌有一个锥形轴承，另一端锥形轴承焊接在螺杆上，螺杆旋入圆环和绝缘筒中，把摆柱固定在两个锥形轴承内，便做成一个可摆动的表头。调节摆柱上方的重心调节平衡杆，可使整个摆动部分的重心产生变化，使小球a能在微重力条件下实验。突出了库仑力对摆球a的影响，克服了重力过大而影响实验观察，加之绝缘程度高，使小球a在库仑力的作用下，观察受力偏转摆动的现象很明显。

实验时，例如，用丝绸与有机玻棒摩擦带电后，分别用玻棒去接触小球b和摆球a，使其带上同种电荷，把带电小球a、b作为点电荷Q₁、Q₂来处理，a、b球为等大的球体，移动小球b，让摆球a受电荷的排斥力而向左偏转，便能观察两带电小球的间距r和摆球a的偏角tgθ。当小球a静止时，库仑力与重力达到平衡，所以库仑力可表述为F=mgtgθ。

由于采用了在摆柱上方安装重心调节平衡装置，使实验在微重力条件下进行，突出了库仑力对带电小球a的影响，克服了因重力过大而影响实验的观察。使得摆球a的偏转角度大，两小球a、b带上同种电荷时，相互间距r较大，由于绝缘性强，保持电荷的时间很长，通过平面镜的刻度和角度指示盘，读出r和tgθ的值，准确度高，直观性强。

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

图1是本实用新型的实验过程原理示意图。

图2是库仑定律演示仪的外观结构示意图。

图3是有移动底座的小球b的正面图。

图4是图3的A-A的剖视图。

图5是小球b固定在绝缘棒上并引出导线结构示意图。

图6是库仑定律演示仪表头摆动系统的结构示意图。

图7是库仑定律演示仪表头部分的整体结构图。

图中：1．上部遮档面板，2．角度指示盘，3．带刻度的平面镜，4．摆杆，5．摆球a，6．空心管，7．灯泡，8．接线柱及导线，9小球b，10．支杆，11．转动棒，12．移动底座，13．导线，14．重心平衡杆外壳，15．摆柱，16．调节拉杆，17．圆环，18．螺杆，19．绝缘筒，20．螺杆引出导线，21．锥形轴承，22．后面板，23．绝缘棒。

在图1中，摆球a(5)和移动小球b(9)都带上同种电荷，小球a(5)受力偏转形成一定角度θ，a(5)受到b(9)的水平方向作用力，相互间形成的距离为r，由于间距较大，可把a(5)、b(9)两球看作点电荷Q₁、Q₂，因为两球体等大，表面积相同，带电量也相同，当带上相同电荷时，Q₁=Q₂。

在图2中，上部遮挡面板(1)被后中心位置为表头部分，摆杆(4)和摆球(5)悬挂在演示箱体内的中心；在后面板(22)的下面，贴有带刻度的平面镜(3)，平面镜(3)的左边贴上角度指示盘(2)；取40w的灯泡(7)，作照明和烘干；右下侧的塑料空心管，可套入带绝缘棒(23)和引出导线(13)的小球b(9)，导线(13)与表头引出线(20)连接成共用导线，与外接高压电源的一端放电杆相接。例如，电子感应圈，此时，摆杆(4)为金属轻摆杆，开启电源，不管电源的极性是否变化，两个小球始终带同种电荷，可作定性演示。摆杆(4)换成绝缘杆和带有移动底座的小球b(9)可作库仑定律的验证，而且测试准确度高。

在图(3)中，小球b(9)固定在绝缘支杆(10)上，支杆(10)的另一端插入底座(12)的转动棒(11)小孔中，可改变b(9)的高低，使小球a(5)、b(9)始终处于水平位置，实验时，把有底座(12)的小球b(9)，放入演示箱(图2)内右侧位置，根据实验要做左右运动。

图4中，支杆(10)的一端插在转动棒(11)小孔中，转动棒(11)又旋入移动底座(12)中。

图5是在实验时，插入图2中的空心塑料管(6)，作定性演示，小球b(9)固定在绝缘棒(23)前端，并与导线(13)相连接到演示箱右上侧的接线柱(8)上。

图6中，摆柱(15)插在平衡杆中，下端插入摆杆(4)，摆杆(4)分金属和绝缘杆两种，摆球a(5)是导电性能好的轻小球，调节拉杆(16)可上下改变长度。

图7中，圆环(17)的一端嵌有锥形轴承(21)，另一端穿过螺杆(18)，在圆环(17)内的一端螺杆(18)上粘合或焊接锥形轴承(21)，摆柱(15)顶在两个维形轴承(21)内，旋动螺杆(18)可调节摆柱(15)的松紧位置，使表头下端的摆杆(4)，摆球a(5)能沿面板的水平方向左右摆动。摆杆(18)尾部焊接上导线(20)旋入绝缘筒(19)中，并将导线(20)从绝缘筒(19)引出；由重心平衡杆外壳(14)和调节拉杆(16)组成重心平衡调节装置，以摆柱为支点，可调节表头摆动系统的重心高低。

Claims (4)

1．一种物理教学仪器，库仑定律演示仪。把小球a和b作为两个点电荷来处理。由于小球a和b的球体半径相同，当它们同时带上相同电荷时，电量相等Q₁=Q₂，用小球b去靠近a，使a偏转一定的角度后，重力和电荷的斥力、摆杆的拉力，三者产生静电平衡，通过小球a的角度变化，两小球带电量的变化，两带电小球a、b的间距r，可以验证库仑力F跟电量Q₁Q₂的大小成正比，跟距离r的平方成反比，其基本特征是，在演示箱顶部遮挡部分，安装专用表头，由重心调节平衡杆、摆柱、摆杆、摆球a，组成表头部分的摆动系统，摆柱上方为重心调节平衡杆，下方为摆杆，摆球a挂在摆杆下面，表头的摆杆分为金属和绝缘杆两种，摆球a为导电性能好的轻小球，小球b分为：(1)、固定在绝缘棒上引出导线，(2)固定在带有支杆的移动底座上两种，摆杆与表头的连接为插接式，可根据要求更换成金属和绝缘摆杆，由圆环一端嵌入锥形轴承，另一端旋上带锥形轴承的螺杆，带锥形轴承的螺杆尾部连接上导线旋入绝缘筒，形成表头的固定系统，旋动螺杆可调节摆柱的松、紧灵活程度，圆环和圆筒为绝缘物质，由于重心调节平衡杆具有调节摆动系统重心高低的作用，以减小摆球a受力运动时的重力，使摆球a始终处于微重力的实验条件，更加突出了库仑力对小球a的影响，同时，摆柱两端为针尖状，顶在硬度大的锥形轴承里磨擦力非常小，提高了实验的精确度，使得两小球带上相同电荷时，小球a受到小球b的库仑排斥力，作用距离更远，偏转角度大，相互的间距r大，小球a、b保持电荷稳定时间长，从演示箱后面板下面，通过等距离刻度的平面镜和左边的透明角度指示盘，可以很准确地读出两小球的间距r和偏角

2．根据权利要求1所述的库仑定律演示仪，其特征是：专用表头部分，重心调节平衡装置由重心平衡杆外壳内置拉杆组成调节部分，用镊子夹住拉杆向上抽动，表头的摆动部分重心上移，若将拉杆向下压入平衡杆外壳，则摆动部分重心下移，使摆球a实验时保持适当的重力。

3．根据权利要求1所述的库仑定律演示仪，其特征是：摆杆部分，在表头下端插接上金属摆杆和摆球a，把带有小球b的绝缘棒连接导线，穿入演示箱右下侧塑料圆筒，与表头引出导线相连后，接入高压电源的同端放电杆，使小球a、b带上同种电荷，能做定性的演示实验。

4．根据权利要求1所述的库仑定律演示仪，其特征是：摆杆和移动小球部分，在表头下端插接上绝缘杆和摆球a，用固定在带有支杆的移动底座的小球b做实验，通过磨擦玻棒(或胶棒)带电，并传递给摆球a和移动小球b带上相同电荷，能准确地验证库仑定律。

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