库仑定律定量演示方案的制作方法
【专利摘要】一种库仑定律的定量演示方案，属物理教学实验领域。本方案用固定在有机玻璃支架上的圆形锡箔纸作带电体，用电子分析天平作测量工具，用接触二分法控制带电体电荷量，用固定装置控制带电体间距离。实验时，将一个带电体置于电子分析天平测试台，另一带电体固定于分析天平上方支架，让两带电体平行正对。利用电子分析天平测量测试台受到的压力，从而得到带电体之间的库仑力。本方案可由控制变量实验方法，明显地定量演示带电体间的作用力和带电体的电荷量以及带电体的距离之间的关系。可在中学和大学物理教学中作课堂演示实验，也可在大学物理实验教学中作学生实验。
【专利说明】库仑定律定量演示方案
【技术领域】
[0001] 本发明涉及库仑定律定量演示方案，属物理教学实验领域。
【背景技术】
[0002] 库仑定律的定量实验，操作简洁和测量精度高是成功的关键。
[0003] 库仑定律的定量实验，在科学研究中测量精度已经很高，但其实验原理和方法都 很复杂，不能用于教学演示。
[0004] 用于定量演示库仑定律的实验主要有两大类。一是公知的库仑扭秤，主要通过金 属丝的扭转力矩和带电小球受到的库仑力力矩平衡，由金属丝转过的角度来反映库仑力的 大小；二是一些物理教师在各级公开课中使用过一些自主设计的实验，主要通过悬挂的带 电体受到库仑力后摆起的角度来反映库仑力的大小。这两大类实验均不够简洁，其带电体 受到库仑力作用之后在一个新的位置达到平衡状态，为了测量或控制两个带电体之间的距 离，要对其平衡位置进行逐渐调节。在较长时间的调节过程中，带电体的电荷量会逐渐减 少，增大实验误差。同时，第二类实验方案精度普遍偏低，只能得到粗略的结果，受环境因素 影响较大，现场演示成功率较低。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是提供一种操作简洁，测量精度高的库仑定律定量演示实验方案。 通过测试，能在20秒内得到五组实验数据；数据精度高，能准确地符合库仑定律。
[0006] 本方案用固定在有机玻璃支架上的圆形锡箔纸作带电体，用电子分析天平作测量 工具，用接触二分法控制带电体电荷量，用固定装置控制带电体间距离。实验时，先通过起 电机等设备让两个带电体带电。将一个带电体置于电子分析天平测试台后，再将天平示数 调零。另一带电体由固定装置固定于分析天平上方支架，让两带电体平行正对。若两带电 体带同种电荷，天平显示示数为正值；若两带电体带异种电荷，天平显示示数为负值。通过 单位换算即可得到两带电体间的库仑力。保持两带电体电荷量不变，调节它们之间的距离， 观察并记录库仑力的变化。保持两带电体的距离不变，通过接触二分法改变其中一个带电 体的电荷量，观察并记录库仑力的变化。最后通过数据处理，定量得出库仑力F与电荷量q 及电荷间距离r的关系。
【专利附图】
【附图说明】
[0007] 图1是带电体1及其支架结构示意图
[0008] 图2是带电体2及其支架结构示意图
[0009] 图3是锡箔圆片3及其支架结构示意图
[0010] 图4是固定装置示意图
[0011] 图5是实验整体结构示意图
[0012] 图6是由测试数据绘制的F-1/r2关系图
[0013] 图7是由测试数据绘制的F-qi关系图
[0014] 图中：1.带电体1，2.带电体2,3.锡箔圆片3,4.绝缘支架，5.距离刻度，6.固 定框架，7.试管夹，8.电子分析天平，9.玻璃罩，10.电子分析天平测试台，11.操作按钮， 12.示数显示屏，13.弹簧，14.限位孔
【具体实施方式】
[0015] 带电体1(1)、带电体2(2)和锡箔圆片3(3)均是直径为4cm的锡箔纸圆片，用胶 水粘在用有机玻璃制成的支架（4)上。距离刻度（5)以厘米为单位，为使刻度醒目，可隔 一格喷涂成红色。固定框架（6)用木材或有机玻璃制成，尺寸以分析天平玻璃罩的上方为 准。用半个试管夹（7)和固定框架（6)构成固定装置（如图4)。电子分析天平（8)精度选 用O.OOlg即可（精度O.OOOlg更佳），上方自带玻璃罩（9)。示数显示屏（12)显示数字较 小且角度不利于学生读数，该方案用作课堂演示实验时，可通过摄像头或实物投影仪将其 示数投影至大屏幕。限位孔（14)尺寸应略大于绝缘支架（4)的尺寸，其位置应保证带电体 2(2)固定后位于天平测试台（10)的正上方。
[0016] 实验步骤：
[0017] A.将电子分析天平（8)调整水平，接通电源，开启测量功能，示数调零；
[0018] B.将带一定量电荷的带电体1 (1)连同绝缘支架放至天平测试台（10)，观察示数 变化，再通过操作按钮（11)将示数调零；
[0019] C.将带一定量同种电荷的带电体2(2)连同绝缘支架固定在玻璃罩上方，让两带 电金属圆片正对（如图5所不）；
[0020] D.调节带电体2 (2)的位置，让两带电体间距离分别为4cm、5cm、6cm......，观察并 记录数据（实测数据见表1);
[0021] E.固定带电体2(2)的位置，将不带电的锡箔圆片3(3)和带电体1(1)接触后移 开，使带电体1(1)的电荷量减半，观察并记录数据；
[0022] F.让锡箔圆片3(3)放电后再通过步骤E中的方法让带电体1(1)的电荷量逐次减 半，观察并记录数据（实测数据见表2);
[0023] G.用作图法分析数据（测试结果如图6、图7所示）；
[0024] H.整理实验器材。
[0025] 表1电荷间作用力F与电荷间距离r的关系
[0026]
【权利要求】
1. 一种库仑定律的定量演示方案，属物理教学实验领域。本方案用固定在有机玻璃支 架上的圆形锡箔纸作带电体，用电子分析天平作测量工具，用接触二分法控制带电体电荷 量，用固定装置控制带电体间距离。实验时，将一个带电体置于电子分析天平测试台，另一 带电体固定于分析天平上方支架，让两带电体平行正对。利用电子分析天平测量测试台受 到的压力，从而得到带电体之间的库仑力。通过控制变量实验方法，定量演示带电体间的作 用力和带电体的电荷量以及带电体的距离之间的关系。
2. 根据权利要求1所述的库仑定律定量演示方案，其特征是：带电体在实验中位置固 定，被测量带电体始终在同一位置达到受力平衡，另一带电体可通过固定装置人为控制其 位置。
3. 根据权利要求1所述的库仑定律定量演示方案，其特征是：将库仑力转化成被测量 带电体和其他物体间作用力的变化，并通过高精度的测力（或质量）的仪器直接测出。
【文档编号】G09B23/18GK104217633SQ201310221476
【公开日】2014年12月17日 申请日期:2013年5月30日 优先权日:2013年5月30日
【发明者】李忠相 申请人:李忠相