專利名稱：一種庫侖定律的定量驗證試驗裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種試驗裝置，尤其涉及一種庫侖定律的定量驗證試驗裝置。
背景技術：
靜電力相互作用的平方反比關系，是經過法國軍事工程師庫侖(C·A·Coulomb，1736～1806)的實驗測定才得以流傳于世的。1785年，庫侖利用自己的有關扭轉力方面的知識，設計制作了一臺精密的扭秤，進行了測定電力作用的實驗。從這樣的實驗中，庫侖得出了“帶同類電的兩球之間的排斥力，與兩球中心之間距離的平方成反比”的結論。但限于歷史階段、科技水平等因素的限制，此實驗的精度并不是很高，而且，用扭秤無法驗證帶異種電荷間的引力與距離之間的關系。這是因為，當小木球上的電荷在扭力為零的位置同固定電荷的位置之間運動時，扭力的大小與兩球之間的距離呈線性規律變化(F扭＝k′θ＝kl)，而電荷之間的吸引力則與距離的平方關系呈反比變化(F電＝k/d2)，兩者之間即使能夠達到平衡，也是一種不穩定平衡。如果出現一個微擾動，電荷之間的吸引力就會比扭力增加的更快，往往導致兩球相碰。庫侖在論文中這樣寫道“即使能達到平衡，最后兩球也往往會相碰，這是因為扭秤十分靈活，多少會出現左右搖擺的緣故”。事實上，庫侖后來是利用“電擺”裝置證明了電吸引力與距離的平方反比關系。然而，盡管如此，庫侖聲稱他還是首先使用了扭力同電吸引力平衡的方法進行了測量，并說明他由此得到電吸引力也滿足平方反比律的結論。
在進行庫侖定律的教學時，教師往往是先進行定性實驗，然后再介紹庫侖扭秤裝置。限于儀器的精度及操作方面的問題，定量實驗一般不進行演示，而這樣勢必會造成學生對庫侖定律的片面、不深刻的理解，而且缺乏實踐方面的體驗。
實用新型內容針對上述存在的問題，本實用新型的目的在于提供一種便于試驗操作、且測量精度高的庫侖定律的定量驗證試驗裝置。
為實現上述目的，本實用新型一種庫侖定律的定量驗證試驗裝置包括水平板、中間板、垂直板、導槽、包有金箔的有機玻璃薄片和金屬球；中間板的一側可轉動安裝在水平板上，垂直板垂直固定在中間板上，并與所述中間板轉動軸線相垂直；導槽設置所述中間板面上的中間，并與所述垂直板和中間板的交線相平行，所述金屬球可滑動安裝在該導槽上，并通過導線與一靜電高壓發生器相連；所述垂直板上安裝有測角圖片，在該測角圖片的圓心位置懸掛一用于確定所述中間板傾斜轉角的重錘，在所述垂直板靠下方上水平設置一刻度尺；所述有機玻璃薄片通過一懸臂懸掛在所述重錘側面，該懸臂與所述垂直板面相垂直。
進一步地，所述金屬球通過一底座可滑動安裝在所述導槽上，該金屬球通過一有機玻璃螺桿轉動安裝在該底座上，所述底座上還設置有用于讀取所述金屬球在所述刻度尺上相對位置的指針。
本實用新型不僅操作方便，通過演示使學生能夠更深刻地理解庫侖定律，而且測量精度高，可將誤差控制在5％以內。
圖1為實用新型結構示意圖，該圖同時表示中間板未傾斜一定角度的狀態。
圖2為將中間板傾斜一定角度的狀態圖。
圖3為調整金屬球到適當位置，使懸掛薄片的兩根細線的拉力與中間板垂直的狀態圖。
圖4為對圖3的薄片受力分析圖。
具體實施方式
如圖1所示，本實用新型包括水平板1、中間板2、垂直板3、導槽8、包有金箔的有機玻璃薄片5和金屬球4；中間板2的一側可轉動安裝在水平板1上，垂直板3垂直固定在中間板2上，并與中間板2轉動軸線相垂直；導槽8設置中間板2面上的中間位置，并與垂直板3和中間板2的交線相平行，金屬球4通過有機玻璃螺桿14安裝在底座13上，調節螺桿14來調節金屬球4的高度，底座13可滑動安裝在該導槽8上，底座13上還設置有用于讀取金屬球4在刻度尺(下述)上相對位置的指針15，從而確定金屬球4與薄片5之間的距離，金屬球4通過導線與一靜電高壓發生器相連(未圖示出)，用于產生靜電；垂直板3上安裝有精確為0.1度的測角度的用測角圖片6，在該測角圖片6的圓心位置懸掛一用于確定中間板2傾斜轉角的重錘10，在垂直板3靠下方上水平設置一刻度尺9；有機玻璃薄片5通過一懸臂7懸掛在重錘10側面，該懸臂7與垂直板3面相垂直，懸臂7的寬度與垂直板3的厚度之和為中間板2的寬度。另外，水平板1上還可以設置調節水平面的旋鈕11，以確保中間板2在試驗前保持水平狀態，在懸臂7的末端與該末端垂直對應的中間板2的邊緣之間可設置用于固定觀察者視線位置的觀察線12。
實驗之前，先將中間板2的各個方向均調節呈水平狀態，并保證金屬球4與薄片5的中心連線水平，當薄片4靜止時，使懸掛薄片5的兩根細線與重錘線、測角圖片6上的0刻度線、觀察線12在同一豎直面內。
1)驗證斥力F與距離r的二次方成反比。
如圖2所示，實驗時，將中間板2旋轉一個角度，打開靜電高壓發生器，使金屬球4帶電，并同時使薄片5帶電。這時，懸掛薄片5的兩根細線會擺起一個角度。同時，重錘線也會與0刻度線有一個角度(此角度即為中間板2被墊起的角度)。如圖3所示，調整金屬球4的位置，使懸掛薄片5的兩根細線與0刻度線、觀察線12重合，這就確保了懸掛薄片5的兩根細線的拉力與中間板2垂直。如圖4所示，對此時薄片5受力分析，它受到三個力作用重力G、繩的拉力T、帶電金屬球4對薄片5的斥力F。將重力G正交分解沿平行中間板2方向的分力G1，沿垂直板3方向的分力G2。由平衡條件得mgsinθ＝F若F與二者之間的距離r的二次方成反比，則有mgsinθ∝ 1/r2即mgsinθ·r2＝常數即sinθ·r2＝常數改變中間板2的傾角θ，測出對應的r值，計算出各組sinθ·r2的值，若為一常數，則證明了F∝ 1/r2。
2)驗證引力與距離的二次方成反比只需將利用靜電高壓發生器的兩個電極讓金屬球4和薄片5帶上異種電荷，并將金屬球4的位置變為放到薄片5的左邊，其他操作、原理同上。
另外，為使實驗便于操作，結果更精確，可以在儀器外罩一個薄的有機玻璃罩，并讓外罩與抽氣機相連，帶底座的金屬球5可以通過機械傳動裝置在罩外控制。為了把水平板1、中間板2、垂直板3的靜電感應的因素降到最低，應保證薄片5靜止時位置相對于中間板2和垂直板3對稱。
權利要求1.一種庫侖定律的定量驗證試驗裝置，其特征在于，包括水平板、中間板、垂直板、導槽、包有金箔的有機玻璃薄片和金屬球；中間板的一側可轉動安裝在水平板上，垂直板垂直固定在中間板上，并與所述中間板轉動軸線相垂直；導槽設置所述中間板面上的中間，并與所述垂直板和中間板的交線相平行，所述金屬球可滑動安裝在該導槽上，并通過導線與一靜電高壓發生器相連；所述垂直板上安裝有測角圖片，在該測角圖片的圓心位置懸掛一用于確定所述中間板傾斜轉角的重錘，在所述垂直板靠下方上水平設置一刻度尺；所述有機玻璃薄片通過一懸臂懸掛在所述重錘側面，該懸臂與所述垂直板面相垂直。
2.根據權利要求1所述的一種庫侖定律的定量驗證試驗裝置，其特征在于，所述金屬球通過一底座可滑動安裝在所述導槽上，該金屬球通過一有機玻璃螺桿轉動安裝在該底座上，所述底座上還設置有用于讀取所述金屬球在所述刻度尺上相對位置的指針。
專利摘要本實用新型公開了一種庫侖定律的定量驗證試驗裝置，包括水平板、中間板、垂直板、導槽、包有金箔的有機玻璃薄片和金屬球；中間板的一側可轉動安裝在水平板上，垂直板垂直固定在中間板上，并與中間板轉動軸線相垂直；導槽設置中間板面上的中間，并與所述垂直板和中間板的交線相平行，所述金屬球可滑動安裝在該導槽上；所述垂直板上安裝有測角圖片，在該測角圖片的圓心位置懸掛一重錘，在所述垂直板靠下方上水平設置一刻度尺；所述有機玻璃薄片通過一懸臂懸掛在所述重錘側面，該懸臂與所述垂直板面相垂直。本實用新型不僅操作方便，通過演示使學生能夠更深刻地理解庫侖定律，而且測量精度高，可將誤差控制在 5％以內。
文檔編號G09B23/00GK2922002SQ200620124748
公開日2007年7月11日 申請日期2006年7月4日 優先權日2006年7月4日
發明者韓曉東 申請人:韓曉東