專利名稱：多功能靜電學實驗裝置的制作方法
技術領域：
本發明屬于涉及一種實驗裝置，特別涉及一種能夠演示帶電粒子在電場中運動規律和探究與平行板電容器電容大小相關因素的多功能靜電學實驗裝置。
背景技術：
目前，“帶電粒子在勻強電場中的運動”是高中物理中電學與力學的綜合問題，是教學中的一個重點內容。由于目前沒有直接顯示該運動徑跡變化的演示實驗，因而也是一個教學難點。陰極射線管、靜電偏轉式示波管等儀器雖然可以演示陰極發出的電子束在電場力作用下的偏轉，然而它只能讓我們通過觀察電子束打到熒光屏上的軌跡來想象電子運動過程，不能直觀地觀察到電子在電場中的運動軌跡情況
實用新型內容
有鑒于此，本發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中運動情況并且能夠探究與平行板電容器的電容大小相關因素的多功能靜電學實驗裝置。為達到上述目的，本發明提供如下技術方案:多功能靜電學實驗裝置，包括電源、第一極板和第二極板，第一極板和第二極板通過導線與電源連接，還包括不斷提供在兩極板間形成清晰可見的運動軌跡的帶電粒子的可控裝置。進一步，所述帶電粒子為帶電液滴。進一步，還包括外殼和支架，所述外殼兩側設置有滑槽，所述支架穿過外殼兩側固定第一極板和第二極板。進一步，所述電源為感應起電機或高壓電源。進一步，所述可控裝置中安裝在極板上或安裝在外殼頂部。進一步，所述外殼頂部設置有照明燈。進一步，所述外殼底部設置有接水槽。本發明的有益效果在于:本發明取材容易，制作簡單，將其用于物理教學，極大地提高了學生對這部分知識的學習興趣。原來看不到的電場力，看不見的帶電粒子及其在勻強電場中的運動變化軌跡，在這個實驗里都得到了再現，形象生動，印象深刻，為學生解決這類物理問題提供了直觀的模型。本發明的其他優點、目標和特征在某種程度上將在隨后的說明書中進行闡述，并且在某種程度上，基于對下文的考察研究對本領域技術人員而言將是顯而易見的，或者可以從本發明的實踐中得到教導。本發明的目標和其他優點可以通過下面的說明書和權利要求書來實現和獲得。
為了使本發明的目的、技術方案和有益效果更加清楚，本發明提供如下附圖進行說明:圖1為本發明裝置結構示意圖；圖2為帶電粒子在電場中運動原理示意圖；圖3為帶電粒子在勻強電場中的加速運動現象示意圖；圖4、5、6、7為帶電粒子在勻強電場中的偏轉運動現象示意圖。
具體實施例方式下面將結合附圖，對本發明的優選實施例進行詳細的描述。如圖1所示，本發明提 供一種多功能靜電學實驗裝置，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通過導線與電源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中運動，形成清晰可見的運動軌跡，可控裝置8的位置可變并且提供帶電粒子的速度可變。所述外殼形成一個密閉的環境，使帶電粒子的運動免受外界的影響。外殼6兩側設置有滑槽4，所述支架3穿過外殼兩側固定第一極板51和第二極板52，并通過外殼6兩側的滑槽4來改變兩極板的正對面積，支架可以左右移動，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為感應起電機或高壓電源。所述外殼頂部設置有照明燈7，便于觀察帶電粒子的運動軌跡，增大可見度。所述外殼底部設置有接水槽2。下面描述多功能靜電學實驗裝置的實驗原理。(I)帶電粒子在平行板電容器電場中受到的電場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，內部電場可以看成勻
強電場，如果兩極板間距離為d，兩極間電壓為U，則內部電場的電場強度為￡ = 帶電量
a
為q的粒子在其中受到的電場力為^ = ^￡: = 9.^.。
a使用兩塊極板形成一對平行板電容器，將靜電高壓電源連接在兩極板上，在極板間便形成勻強電場，用帶電的水滴模擬帶電粒子。帶電水滴通過兩極板間時產生加速或偏轉運動，說明帶電水滴受到了電場力的作用。改變加在極板間的電壓大小來改變電場的強度，可以看到帶電水滴運動狀態的改變，從而說明電場力的大小與電場強度相關。(2)帶電粒子在勻強電場中的運動規律帶電粒子在電場中因受到電場力的作用，其運動狀態會發生改變。原來靜止的或具有電場力方向初速度的帶電粒子會沿著電場力方向作加速直線運動；具有垂直電場力方向初速度的帶電粒子會發生偏轉。如圖2所示，假設帶正電粒子的質量為m，以初速度Vtl垂直于電場力方向進入電場，板長為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初速度，將會做勻速直線運動；在水平方向上，粒子受到的電場力做勻加速直線運動。粒子在豎直方向上做勻速直線運動，水平方向上做勻加速直線運動，其合運動與平拋運動類似。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量S，由牛頓第二定律和勻變速直線運動規律可以推出，S =，可見偏轉量s與帶電粒子的質量m、初速度Vd、板長1，板間距
尚d,兩極板間的電壓U、粒子帶電量q有關。(3)平行板電容器的電容電容器是儲存電荷的容器，儲存電荷量Q的多少與兩極板間電壓U和電容器的電容C大小有關，其關系式為L) = 由此式變形可以得到計算電容器電容大小的計算式
c = §。對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、兩極板間的正對面積
S、兩極板間插入介質的介電常數ε共同決定,決定式為Cf = ■械d。聯立計算式和決定式可
得到，υ = {) = ^!^當Q—定時，分別改變兩極板間的距離d、兩極板正對面積S、在兩極板插入介質來改變電容C的大小，電容的變化會引起電壓U的變化，U的變化會引起水滴的偏轉程度發生變化。實驗時，可以通過觀察在改變電容C前后，水滴的偏轉程度來判斷電壓U的大小變化，進而確定電容C是增大還是減小。下面詳細描述多功能靜電學實驗裝置制作過程。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可控帶電滴液裝置，輸液瓶為儲液裝置，將輸液裝置中針頭稍加打磨制成滴液針頭。
截取一段細銅棒(50mm左右)將其一端磨尖，另一端焊接在導線的一端，導線另一段焊接在一個鱷魚夾上。將鱷魚夾夾在高壓電源的一極上，銅棒尖端插入塑料瓶內的水中，可讓水帶上正電或負電。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外殼支架；在外殼兩側面和上面的密度板相應位置打孔及滑槽；利用空心塑料棒作為支架分別將兩塊銅板連接起來，空心塑料棒可以左右移動以改變極板間距離，可以通過滑槽來改變極板的正對面積，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，正面用透明有機玻璃板并可以上下滑動，在背面里側貼上黑色的紙做背景以便觀察實驗現象。在外殼的頂部安裝一個LED小燈泡，用于照亮液滴運動軌跡，增大可見度。(2)伸縮支架用空心PVC管作支架的外套管，橡膠棒作支架延長管(長短自取)，并在PVC套管和在套管內移動的橡膠棒上相距50mm相對位置上鉆3mm的孔，用2段長約80mm、直徑為3mm的不銹鋼絲做插銷，用長約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(有機玻璃板)做一個無蓋的盒子作為接水槽用于接滴下來的水滴。下面詳細描述多功能靜電學實驗裝置演示帶電粒子在不同情況下電場中的運動情況的使用步驟:1.演示帶電粒子在勻強電場中的加速運動調節好兩極板的距離，打開上方的光源，把可控帶電滴液的針頭插在一塊極板上方邊沿的小孔內，使針頭成水平狀。在塑料瓶內倒入加了適量鹽或酒精的水，然后打開滴水開關，調節到每秒兩滴。如圖3所示，打開高壓電源，逐步把電壓從O升高到20kV左右。可以看到電壓較低(如5kV)時，電場力較小,水滴的重力不能忽略,水滴在水平電場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動；當電壓增大到20kV左右時，電場力遠遠大于其重力，就可以忽略重力，水滴只在水平電場力作用下作勻加速直線運動，水滴變為一條接近水平直線的急速水流。通過反復調節高壓電源的電壓，對比觀察水滴運動狀況，可以清楚看到帶電粒子(水滴)在勻強電場中沿電場力方向的加速運動情況。2.演示或探究帶電粒子在勻強電場中受到的電場力與電場強度的關系演示方法同上，改變加在兩極板間的電壓大小，水滴的運動路徑發生改變，說明水滴受到的力發生了改變，重力大小不變的情況下就說明電場力大小發生了改變。電壓越大，水滴斜偏向正極板程度越大，說明受到的電場力越大。3.定性演示帶電粒子在勻強電場中的偏轉現象調節好兩銅板的距離，下方放好接水槽，打開上方光源。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。在塑料瓶內倒入加了適量鹽或酒精的水，然后打開滴水開關，調節到每秒約二、三滴。如圖4所示。(I)鱷魚夾不接任何電極，水滴不帶電荷，打開高壓電源，不管電壓為多少，觀察到水滴穿過勻強電場后作豎直下落運動。如圖5所示。(2)關上高壓電源，鱷魚夾接到正電極一端，然后打開高壓電源至IOkV左右，瓶中水帶正電荷，穿過勻強電場的水滴受電場力的作用，觀察到水滴運動軌跡偏向負極板。如圖6所示。(3)關上高壓電源，鱷魚夾接到負電極一端，然后打開高壓電源至IOkV左右，帶負電荷的下落水滴穿過勻強電場時，觀察到水滴運動軌跡偏向正極板。如圖7所示。4.探究帶電粒子在勻強電場中偏轉運動的偏轉量與哪些因素有關實驗裝置組裝與3同。控制滴水速度不變，可以認為水滴的電量q、質量m是一定的，由于極板長度I也是一定的，根據控制變量法，保持兩極板間的電壓U、板間距離d—定，將支架向上伸長或向下縮短以增大或減小水滴的初速度Vo，由偏轉量的變化情況探究偏轉量與初速度％的關系；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，由偏轉量的變化情況探究偏轉量與板間距離d的關系；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，由偏轉量的變化情況探究偏轉量與兩極板間電壓U的關系。5.探究或演示平行板電容器電容與哪些因素有關實驗裝置組裝與3同。保持極板上電量一定，將一個極板的位置向上移動固定在另一個位置可以改變兩極板的正對面積、左右滑動極板可以改變極板間距離或者在極板間插入介質板以改變介電常數，由觀察到的偏轉量的變化情況推知電壓的變化情況，進而由電壓的變化情況得知電容的變化情況。最后說明的是，以上優選實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制，盡管通過上述優選實施例已經對本發明進行了詳細的描述，但本領域技術人員應當理解，可以在形式上和細節上對其作出各種各樣的改變，而不偏離本發明權利要求書所限定的范圍。
權利要求
1.多功能靜電學實驗裝置，包括電源、第一極板和第二極板，第一極板和第二極板通過導線與電源連接，其特征在于:還包括不斷提供在兩極板間形成清晰可見的運動軌跡的帶電粒子的可控裝置。
2.根據權利要求1所述多功能靜電學實驗裝置，其特征在于:所述帶電粒子為帶電液滴。
3.根據權利要求1所述多功能靜電學實驗裝置，其特征在于:還包括外殼和支架，所述外殼兩側設置有滑槽，所述支架穿過外殼兩側固定第一極板和第二極板。
4.根據權利要求1所述多功能靜電學實驗裝置，其特征在于:所述電源為感應起電機或高壓電源。
5.根據權利要求3所述多功能靜電學實驗裝置，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.根據權利要求3所述多功能靜電學實驗裝置，其特征在于:所述外殼頂部設置有照明燈。
7.根據權利要求3所述多功能靜電學實驗裝置，其特征在于:所述外殼底部設置有接水槽。
全文摘要
本發明公開了一種多功能靜電學實驗裝置，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導線連接電源，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中運動，并形成清晰可見的運動軌跡，所述外殼形成一個封閉的環境，使帶電粒子的運動免受外界的影響，所述電源為感應起電機或高壓電源。本發明形象生動、直觀地證明了電場力的存在，能夠觀察到帶電粒子在勻強電場中的運動變化軌跡。
文檔編號G09B23/18GK103117015SQ20131007164
公開日2013年5月22日 申請日期2013年3月6日 優先權日2013年3月6日
發明者陳曉莉, 宋藝華, 張集中, 于承霖, 呂宗友 申請人:西南大學, 宋藝華