专利名称：库仑定律演示仪的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及物理教学，一种演示验证库仑定律的教学仪器。
技术背景目前，物理教学中，有关库仑定律的实验演示方法，许多仪器都只能观察现象，即便是设计最好的教学仪器，也只能测出模拟点电荷的间距r，而模拟点电荷之间的库仑力F，至多只能通过球体摆动的角度变化，得出力的近似比值，且误差很大，无法直接测出力的大小数值，因此对库仑定律的教学实验，只具备部分的验证条件。
发明内容
为了克服现有物理教学中库仑定律演示所有相关教学仪器，不能完全解决验证基本物理量的问题。本实用新型提供一种库仑定律演示仪，不仅可以解决长时间带电的问题，而且能通过演示板观察两个模拟点电荷位置，测出它们相互的间距，通过专门设计制作的微力测量计，测出一个模拟点电荷任意偏离平衡位置时库仑力的大小值，根据公式计算出总电量Q1Q2的值。
本实用新型解决其技术问题，所采用的技术方案是外型为高和宽约45厘米，厚约15厘米的方型演示箱体，用隔板分为上下两部分，隔板开槽缝，上面安装可调节式专用表头，从槽缝口向下伸出摆杆，摆杆下面悬挂摆球。隔板下面的演示板，以摆球静止时的垂直位置对应处标示零刻度，往左沿弧线上画出弧线，往右画出平行线，下面标示距离刻线，零刻度左边的弧线上画出角度刻线。从右侧面板附近，演示板刻度线上沿，开始往左边平行开槽，过零刻度线后沿弧线上边继续开槽，到左边沿附近为止；演示箱内用绝缘空心螺栓穿过滑槽缝，外面用绝缘螺帽旋紧，固定在滑槽上；L型绝缘支杆的一端装上移动小球，另一端插在绝缘空心螺栓孔中穿出，适当露出端头，用手在演示板后面移动绝缘螺帽，能使小球沿滑槽轨迹作左右，上下和水平移动，旋动螺帽和适当抽动支杆的端头，能调节移动小球的上下和前后位置。表头的安装是这样实现的，在隔板的上方的槽缝周围；安装一个边框内置磁条的槽盒，槽盒的一端开圆孔，前后两面开长孔，表头圆环上下部分贴有铁片，使其放入槽盒中时，能吸附在磁条上；在圆环开出的小孔处，穿出一根细长的螺杆并固定，从槽盒圆孔中穿出，在演示箱的相应位置转孔，安装一节支撑套筒，抻近一根螺帽杆与螺杆相套，螺帽杆上安装卡环，以防螺帽杆左右移动，只有通过外面调节旋纽的转动，才能使圆环在槽盒内产生水平移动；表头圆环两端嵌有宝石螺钉，调节螺钉将摆柱固定在宝石螺钉内，摆柱上边由重心平衡螺杆，重心调节螺帽组成重心平衡装置；摆柱下方由摆杆，摆球，共同组成表头摆动部分，旋动重心调节螺帽，可改变摆动系统的重心，使摆动系统能在微重力条件下工作，当受到水平方向的微重力作用便能产生明显的摆动偏转；为了使摆球能有效的保持电荷量，采用在摆柱下面的金属杆部分，插接或套装一短节绝缘杆，再将金属细杆紧插在绝缘柱中，下端连上插有短截绝缘细杆的摆球。测量摆球的偏转力，是由专门制作的微力测量计完成的。实验前，用微力测量计从水平方向推动摆球到某一角度，读出一个力的值，由此，可以推理，两个小球带上同种电荷时，其力的大小，应等同于微力测量计在该处所测力的值。由于摆球始终受到来自移动小球的库仑排斥力，库仑力可表达为F＝mgtgθ，而mg不变，所以F可用tgθ来比值，为了计算方便，测出特殊角tgθ＝45度时的水平排斥力F。那么测量范围内任一角度下，受到的库仑排斥力F′＝F*tgθ′就是该点库仑力的值。微力测量计的制作过程用一根细长转轴，插入厚度均匀的硬泡沫膜圆盘中心，用轻质细丝杆插入硬泡沫膜圆盘边沿，露出部分做成圆弧型测力杆，泡沫圆盘中心转轴的一端，套一根游丝；取一圆筒，在圆筒中部圆弧面上开一条槽，圆盖上安装带插销的游丝固定架，将转轴放入上下两圆盖的宝石螺钉内，盖好圆盖，调好宝石螺钉的松紧，使测力杆露在槽口外的一端，作为零位置。把测力杆轻拨到槽缝口另一端，处于弹力的最大值，既是该测量计的测量范围。标出等距离分度值以后，便完成制作。使用时，用测力杆水平推动摆球，其受力始终在测力计圆弧切线方向上，便能测出摆球的受力情况。演示箱下面为透明活动板，其结构是上面板延伸隔板下面某一高度，隔板下的两边侧面板相应变窄，装上磁片。透明面板边缘安有铁片，将其贴上吸附在侧面板的磁性边框上。上面恰好与面板的下边对齐。由于面板与隔板下面的侧面板留有一定宽度的缝口，可使透明面板通过手动，往上移动到隔板位置，使底部露出一定高度的空间。利用底部空间操作实验，使摆球，移动小球带电，为了防止外界干扰如风吹和湿度变大，可往下移动透明活动板，使其封闭；演示箱左下角演示板上，安装照明灯泡，用于照明和烘烤去潮；透明面板左侧的相应位置进行遮光处理，减轻对人眼长时间的刺激。
图1是库仑定律演示仪器的外观示意图。
图2是插接移动小球L型支杆的空心螺栓正面图。
图3是插接移动小球L型支杆的空心螺栓侧面图。
图4是移动小球和固定装置在演示板上的剖面图。
图5是库仑定律演示仪器专用表头及调零装置正面结构图。
图6是专用表头及调零装置的俯视图。
图7是专用表头装置中，表头空心槽盒左视图。
图8是测试摆球偏转力的微力测量计外观图。
图9是微力测量计中的泡沫转盘装置俯视图。
图10是微力测量计中的侧视剖面示意图。
图11是库仑定律演示箱的左视图。
图12是库仑定律演示仪演示板结构示意图。
图13是专用表头摆动系统部件结构图。
图14是表头圆环架及摆动装置俯视图。
图15是表头圆环正面示意图。
图16是表头圆环在槽盒中的左视图。
图17是表头槽盒正面示意图。
图18是表头槽盒俯视图。
图19是演示箱活动透明面板。
图20是实验原理图。
图中1.演示箱体、2.表头摆杆、3.零位调节旋纽、4.表头空心槽盒、5.隔板、6.刻线。7.照明灯泡、8.绝缘空心螺栓、9.绝缘空心螺帽、10.L型绝缘支杆、11.滑槽缝、12.移动小球、13.表头重心调节螺帽、14.表头重心平衡螺杆、15.槽盒内磁条、16.表头移动圆环、17.调零螺杆、18.调零螺帽杆、19.绝缘螺栓空心孔、20.演示箱侧面板、21.槽盒圆孔、22.微力测量计顶盖、23.测力标示刻度线、24.测力丝杆、25.弧槽缝口、26.泡沫圆盘、27.钟表游丝、28.转轴、29.游丝头固定栓、30.遮光面、31.透明面罩板、32.条型铁片、33.磁条、34.偏转角度刻线、35.距离刻线、36.演示板、37.摆柱、38.摆球、39.宝石螺钉、40.摆杆绝缘部分、41.铁片、42.摆杆绝缘部分、43.隔板槽缝、44.槽盒条孔、45.螺帽杆卡环、46.圆环螺孔。
具体实施方法在图1中，摆球(38)和移动小球(12)如果都带上同种电荷，摆球将会受力偏离零位并形成一定偏角和距离。由于间距较大，可把两小球看做点电荷Q1Q2，同时，两小球等大，表面积相同，带满相同电荷时，Q1＝Q2；由F＝K Q1Q2/r2，可知，当测出距离r和力的值F时，便可算出电量Q1Q2，由于两小球的电荷量相等，故能推算Q1和Q2的值。测试力的简便方法，可以通过微力测量计推动摆球到45°偏角，观察此时摆球在水平方向受力的情况，记录数据，由于摆球水平方向的受力F＝mgtgθ，而摆球所受重力mg为恒量，由此，摆球受力的比值为F＝tgθ，故测量范围内，摆球的任意角度受到来自水平方向的力为F∶F′＝tg45°∶tgθ′，所以，F′＝F·tgθ′。而在实验过程中，摆球和移动小球始终处于同一水平高度，摆球受到的是水平方向的库仑排斥力，依此原理，可测出不同偏角时的库仑力的值。图2和图3是绝缘空心螺栓，其安装方法从图4可看出，绝缘空心螺栓从演示板内穿出，在后被用绝缘螺帽(9)拧紧。L型绝缘支杆(10)穿插在绝缘空心孔(19)中，移动小球固定在L型支杆(10)的另一端，这样移动小球便固定在演示板(36)的滑槽缝(11)中。用手活动或转动绝缘螺帽(9)，可使移动小球(12)沿滑槽移动，调节高低位置，达到推动摆球(38)并保持等高位置的目的，需要远离摆球(38)时，可将移动小球(12)转动到最高处，从后被的绝缘空心螺栓(46)中，抽动L型绝缘支杆(10)可调节移动小球(12)的前后位置，使之与摆球处在同一摆动弧面上。在图5和图6中，表头圆环(16)嵌放在槽盒(4)中，与槽盒内上下安装的磁条(15)相吸附，从圆环(16)中穿出调零螺杆(17)与调零螺帽杆(18)相套，在调零螺帽杆(18)上安装螺帽杆卡环(45)紧贴在侧面板内外壁上，防止螺帽杆(18)产生抽动现象，由于表头的摆动系统安装在圆环(16)的宝石螺钉(39)上，所以，摆球(38)的零位调节，只能通过安装在调零螺帽杆(18)上的零位调节旋纽(3)来实现，摆动系统的重心通过旋动表头重心调节螺帽(13)来实现。图7从侧面可看出调零螺杆(17)，从槽盒圆孔中穿出。图8中，微力测量计的测力丝杆(24)，从槽缝口(25)中，沿弧面反向拨动到槽弧缝口(23)的另一端，既是微力测量计的测力范围。图9中泡膜圆盘(26)作用是尽可能减轻圆盘的重力影响，更容易调节测力丝杆(24)的平衡，使其在任意方向都处于零位点。图10中，可看出钟表游丝(27)的外端头，紧插在游丝头固定栓(29)，若拨动测力丝杆(24)后放开，泡膜圆盘(26)在钟表游丝(27)的张力作用下，回复到原来位置。图11中，可观察到演示箱的侧面安有吸附透明面罩板(31)的磁条(33)，由于透明面罩板(31)的上边缘与隔板(5)有一条缝口，用手可使透明面罩板作上下移动，作用是让演示箱下部留有空间，便于实验操作。图12中，零刻度左边的刻线(6)是根据摆球的摆动轨迹刻画的，在零位置的右边为平直线，绝缘空心螺栓(8)绝缘螺帽(9)安装在滑槽缝(11)中，移动小球(12)通过L型绝缘支杆(10)插入绝缘螺栓空心孔(19)后，能随滑槽缝(11)移动，照明灯泡(7)安装在演示板(36)左下角，刻线(6)的下面是距离刻线(35)，上面是偏转角度刻线(34)。图13和图14中，表头摆柱(37)支撑到宝石螺钉上后，上方的表头重心调节螺杆(14)，通过表头重心调节螺帽(13)的旋动，改变了摆柱(37)下面的，表头摆杆(2)和摆球(38)的重心位置，使摆球(38)具备微重力状态下的实验条件。图15和图16中，表头移动圆环(16)的上下面为铁片(41)，与宝石螺钉(39)垂直的一边为圆环螺孔(46)，表头移动圆环(16)在槽盒(4)中，与槽盒内磁条(15)吸附在一起。图17中，槽盒(4)边的中部开有槽盒条孔(44)，便于用螺丝刀调节宝石螺钉(39)槽盒圆孔可以从中穿出调零螺杆(17)。图18中，槽盒(4)中间的底部，开有隔板槽缝，使摆动部分的表头摆杆(2)，能在穿出隔板槽缝(43)左右摆动。图19中，透明面罩板(31)两边安有条形铁片(32)，左下方的遮光面(30)便于挡光，以免长期刺激眼睛。在图20中，摆球(38)和移动小球(12)都带上了同种电荷，摆球(38)受到移动小球(12)的水平方向作用力，偏转一定角度θ，相互产生距离r，由于间距较大，可把它们看作点电荷Q1Q2，为两小球等大，且光滑的表面相同，同时带满电荷时，Q1＝Q2。
权利要求1.一种物理教学仪器，库仑定律演示仪，把摆球和移动小球作为模拟点电荷，两小球半径相同，外表面为同样的金属材料，其基本特征是，在演示箱隔板上部封闭部分，演示箱隔板上开一条平行于摆球摆动方向的槽缝，并在槽缝周围固定一个内置磁性物的槽盒，内空要能够放置表头圆环，在槽盒的一边与演示箱外侧方向的对应位置钻孔，表头的制作分固定和摆动两部分，圆环安装仪表宝石螺钉，圆环上下边沿安装吸附铁片，在圆环垂直于仪表宝石螺钉一侧的位置转孔，穿过螺杆并固定，通过槽盒圆孔穿出，与演示箱外侧伸入的螺帽杆相套，操作调节旋纽，使表头圆环能够左右移动，由此，圆环部分、螺杆、螺帽杆、槽盒等组成表头的移动支撑部分；表头的摆动系统由重心调节杆、摆柱、摆杆、摆球等组成，摆柱上方为重心调节平衡杆，下方为摆杆，摆球挂在摆杆下面，将摆柱的针杆，通过圆环上的宝石螺钉，支撑在圆环上摆动灵活，便成了专用表头；移动小球通过L型支杆固定，并插入演示板滑槽上的绝缘空心螺栓孔中。
2.根据权利要求1所述的库仑定律演示仪，其特征是表头部分，重心调节杆，其上端结构是螺杆，旋入螺帽，杆的中部偏下适当位置，沿垂直方向穿入摆柱，摆拄的两头支撑在圆环上的宝石螺钉孔中，杆的下端小孔处可插进摆杆，使摆杆下面的摆球产生自由摆动。
3.根据权利要求1所述的库仑定律演示仪，其特征是在表头重心调节杆的下端，插接上复合型摆杆，摆杆的金属杆针头，从表头重心调节杆下面的小孔处插入，金属杆针下端，连接绝缘细杆，然后穿入金属薄膜轻质摆球。
4.根据权利要求1所述的库仑定律演示仪，其特征是在演示箱内演示面板从零刻度平行靠右边的适当位置起，往左经过零刻度与摆球运动弧线相对应的位置，开一段槽，用绝缘空心螺杆穿入槽中，在箱体后被面用绝缘螺帽相套，固定在槽中，可沿槽缝移动；移动小球固定在L型绝缘支杆的一端，支杆的另一端插入绝缘空心螺帽，松紧适当，通过绝缘螺帽实现控制绝缘支杆的旋动；抽动L型绝缘支杆，可使移动小球做前后移动。
5.根据权利要求1所述的库仑定律演示仪，其特征是用微力测量计测量出摆球在45°角的水平偏转力，并在演示板上标出45°角处偏转力的值，从演示板距离刻线的零位置开始，在左边，从摆球的弧线轨迹，对应画出弧线，并在弧线上标注角度刻线和距离刻线，右边画出有距离刻度的平行线。
6.根据权利要求1所述的库仑定律演示仪，其特征是用轻质硬泡沫块，加工成均匀的薄型圆盘，用一根转轴插入圆心，并在转轴上套一根游丝，一个内径稍大于泡沫圆盘的圆柱筒上，里面安装游丝固定架，上下圆盖中心装上宝石螺钉，游丝的外丝端头固定到游丝固定架上，再将转轴两端插入宝石螺钉孔中，使泡沫圆盘产生转动，在泡沫圆盘的外筒圆柱面上，开一条槽缝口，从缝口的一端，往泡沫圆盘边沿插一根轻质测力杆，调节好各个方向上的重心，放置在槽缝口的一端，在槽缝边沿标出0到F最大值的刻度分值及单位，便做成了微力测量计。
7.根椐权利要求1所述的库仑定律演示仪，其特征是在演示箱隔板下部两边的边框适当位置，安装磁性吸附装置；做一个与演示箱等宽，高度与演示箱上遮面板下边缘相接的透明面板，演示箱两侧边框，与上遮面板相接处，从隔板位置下方，有一条宽度大于透明面板的缝，当透明面板从演示箱底部盖到演示箱边框上时，正面看与上遮面板下边缘对齐，上下推动透明面板，可使透明面板在缝中作上下移动。
8.根椐权利要求1所述的库仑定律演示仪，其特征是在演示箱内部安装照明灯。
9.根椐权利要求1所述的库仑定律演示仪，其特征是摆球和移动小球的半径相同，外表面材质相同，摆球外封薄型球壳，最外层为金属膜。
专利摘要一种用于物理教学中，涉及验证库仑定律的教学仪器。它以两个带电小球，作为模拟点电荷，这一设定基础。在设计的演示箱内安装专用表头，在表头上有重心调节装置，摆柱下面连接摆杆和摆球；由于摆球在实验过程中多次摆动会产生误差，因此，表头设有调零装置，在演示板上开滑槽缝，安上装有移动小球的L形支杆等装置；在演示箱外操作，可使箱内的移动小球作前后、左右、高低位置调节，以保持和摆球水平位置，通过专门制作的微力测量计，解决了实验中库仑力的测量问题；两个带电小球表面为光滑的金属膜球体，大小相等。
文档编号G09B23/18GK2919415SQ20042001438
公开日2007年7月4日 申请日期2004年10月21日 优先权日2004年10月21日
发明者李建民 申请人:李建民