专利名称：单层直读式静电场描绘仪的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种能在测量电势U的同时直读出分布半径R的物理电磁学实验仪器。
静电场是物理学的一个重要基本概念。静电场的电场电势U与分布半径R之间的关系是电场存在的有力证据。在物理教学中，为了促进学生对电场这个看不见、摸不着却又确实存在的特殊物质的理解，需定量或定性地研究电场电势U与分布半径R之间的变化关系。这种研究电势U与分布半径R关系的仪器就是静电场描绘仪。由于直接测量电场的电势U技术上困难大难以实现，所以传统的静电场描绘仪都采用碳膜导电纸上的稳恒电流场(同静电场分布一致，可以通过理论推导证明)模拟静电场的分布。在实际应用中，测量电势用电压表可以直接读出，但由于碳膜导电纸不透明，测量半径则不得不采用其它间接的方法。截止目前的解决方案有两种。一种方法是导电纸高压打孔法用金属圆柱、圆环、导电纸模拟静电场分布，其中金属圆柱和圆环分别为两个电极接上电源。在测量电势时找到一个等势点，使用高电压在导电纸的相应位置上打一个孔，绕金属圆柱转一周后，取出导电纸，用圆规把这些等势点连接起来，用直尺测量半径R，准确值在毫米数量级。(摘自河南师大物理实验讲义)这种方法的优点是结构简单，原理清晰。缺点是一张导电纸只能使用一次，由于导电纸上孔的影响，实验数据误差大。另外一种方法是采用双层结构下边一层是用来模拟静电场分布的金属圆柱、圆环、导电纸，用导电纸上的稳恒电流场的电压模拟电场的电势U，上边一层做记录台放置记录纸。探针用上下对称的两根钢针组成。测量时，下边探针测量出电压即电场电势U，上边探针在记录纸上打眼记录。绕中心转一周后，用圆规把记录纸上的眼连接起来，用米尺测出半径R(摘自管寿沧、戴宗武合编《普通物理实验》90版第111页)。这种方法虽较前一种有进步，但仍有实验操作复杂，间接读半径误差大，实验时间长、仪器造价高等缺点。这两种仪器都不能在测量电势U的同时读出半径，既不能解决模拟与读半径之间的物理矛盾，也不能及时排除金属圆环与导电纸接触不良带来的分布圆变形问题，实验误差大，实验数据只能精确到毫米级，实验时间长。因此这两种仪器的缺点是共同的。
本实用新型的目的是提供一种原理简单、使用方便、造价低廉的能在测量电势U的同时直读半径R、纠正金属圆环与导电纸接触不良带来的误差的单层结构的物理电磁学实验仪器－－单层直读式静电场描绘仪。
本实用新型主要由绝缘底板、导电纸、金属圆柱、金属圆环和电势探针等组成。本实用新型的发明人在反复研究现有双层结构的静电描绘仪的基础上，找出了一种可以解决模拟与读半径之间物理矛盾的方法，采用外环内扇形导电纸代换平面导电纸，即把圆形导电纸分成若干个扇形区间，每隔一个扇形区挖掉相邻的一个扇形区的导电纸。可以通过理论和实验证明扇形导电纸中线上的电流场的电压分布同平圆导电纸的电流场电压分布一致。为了使挖缺后的导电纸易保存，在金属圆柱下部分(0＜R≤10)和金属圆环下部分(50≤R≤60)的导电纸保留，仅挖掉(10≤R≤50毫米)内的隔一相间的扇形导电纸，形成外环内扇形导电纸。关于挖缺后的外环内扇形导电纸的扇形区间的数量，本发明人通过理论和实验得出在导电纸上测量电压，实际上是探针从导电纸上吸取电流引起电压表指针偏转，吸取量的大小与表的灵敏度有关。从表面上看吸取量与电表的内阻成反比。由于探针吸取电流会引起探针周围的电场发生变化。在圆形导电纸上测量电压，仅需考虑探针两侧的变化，探针的影响区域是一个扇形区域。在圆形导电纸上用内阻为一万欧的电压表测电压，探针对两侧的影响小于5度圆内角，合起来也就是只有10度圆内角。在10度扇形区外，没有发生变化。因此可把圆形导电纸分为(N≤36)个扇形，实际使用8－36个扇形区域。
把分割后形成的外环内扇形导电纸下装置同心圆座标纸，该同心圆座标纸由间距1毫米的同心圆构成圆座标纸的刻度，其半径略大于金属圆环的外半径。用金属圆柱和金属圆环以及配套的五个螺丝固定在绝缘块材上(金属圆柱上一个螺丝，圆环上四个螺丝相隔90度)。在圆柱、圆环上通以直流电压，在扇形区间的导电纸中央测量电压找出等势点，由两侧空缺扇形区漏出的圆坐标纸上读出此点的半径R，用目测法即可读到毫米数量级上。为了进一步提高测量半径的准确度，在圆柱和圆环之间的外环内扇形导电纸上设置扇形游标盘。扇形游标盘由透明板材做底，用间隔0.90～0.98mm的圆弧线制成刻度。扇形游标盘的中央有供电压探针活动的不连续细缝。扇形游标盘的内圆弧的曲率半径同金属圆柱的半径相同，外圆弧的曲率半径小于金属圆环的曲率半径，扇形游标盘的弧长至少大于外环内扇形导电纸的三个扇形区间的弧长和。利用圆座标纸刻度和扇形游标盘的刻度之差－－即游标卡尺的读数原理，测量时把扇形游标盘的细缝对准外环内扇形导电纸的扇形导电纸的中间，用电压探针测量电势U，在扇形游标盘刻度的帮助下读出半径R的毫米级大数来。然后再推扇形游标盘，使其游标盘刻度对在电压探针上，由于此时两刻度之差，数出最先重合的刻度数，乘以差值，即是半径R的小数。如选用扇形游标盘的刻度为0.98mm，从电压探针起10格后对齐，此时的小数便为0.02×10＝0.20mm。采用分割原理和圆坐标纸与扇形游标盘彻底解决了模拟和读半径之间的物理矛盾，也提高了测量半径的准确度，约为2个数量级。对于分割后扇形区间的最佳数据将在实施方案提出。
本实用新型的特点是(1)在测量电势U的同时可以测量半径R，实验原理简单明潦，实验操作方便，实验时间大大缩短。(2)能及时纠正由于圆环与导电纸接触不良引起的电势分布圆变形，减小了实验误差，增强了实验的说服力。(3)由于配上了扇形游标盘，克服圆规连接、米尺测半径的误差，使R的测量精度可达0.02mm，约比米尺测量提高了2个数量级。(4)由于采用单层结构，仪器的造价和使用费下降一半以上，价格性能比大幅度提高，除满足各级各类高校定量物理实验外，还可望在高中，各类中等专业学校普及推广使用。
图1是外环内扇形导电纸图2是同心圆座标纸(毫米细节未画)图3是读数原理示意图图4是扇形游标盘(毫米细节未画)图5是结构示意图具体实施举例在实际应用中有两个基本原则(1)尽量提高导电纸的使用寿命；(2)在挖缺时尽量增加可能测量电压的扇形区数目。按照这两个原则，本实用新型的发明人结合导电纸撕破力与分割挖缺数目进行了优选。很明显挖缺后的扇形区越小，外环内扇形导电纸越不易保存与使用。因此优选的结果是12－－24个扇形区为宜。为使挖缺后尽量提高可供测量的扇形区数目。挖缺扇形区的圆内角α挖应小于保留扇形区的圆内角α保。α挖／α保≤1且α挖／α保≥0.33。本例选α挖＝15度，α保＝30度，α挖／α保＝1／2，分割区的总数N＝16。形成如
图1所示的外环内扇形导电纸［1］，［2］和［3］分别表示扇形导电区(圆心角为30度)和扇形挖缺区(圆心角为15度)。在导电纸下填一同心圆刻度的坐标纸［4］，如图2。每条刻度间隔1mm，每隔5mm用粗刻度线标出。把绝缘板、圆坐标纸［4］，外环内扇形导电纸［1］，金属圆柱［5］，圆环［6］依次用螺丝固定起来(见图5)。把圆柱和圆环作为两个电极接通电源，扇形导电纸上的电势U就代表了同轴电缆内部的电场电势U，由于导电纸的导电纸是隔一挖一，这样在扇形区导电纸［2］上测量电势U，在两侧空缺扇形区［3］露出的圆坐标纸［4］上用目测法就可以读出半径R，如图3所示。为进一步提高测量准确度，采用扇形游标盘(见图4)精读半径R。扇形游标盘［7］是带有圆弧游标刻度的透明板制成。本例中游标刻度是间隔0.98mm的圆弧线，扇形盘中间有一细缝［8］供探针活动。测量时，把游标盘放在导电纸上，使游标盘中间细缝对准扇形导电纸的中线，用探针［9］测出电势U，见图3A、B点，在游标盘的帮助下，由两侧空缺部分露出的圆坐标纸上读出半径R的毫米数，再前推游标盘，利用游标原理，读出R的十分位百分位小数来。A、B为电势测量点，RA，RB为对应半径。这样，就可以使R的测量准确在0.02mm数量级，把八个扇形区的R求平均值，列出U－R表，即完成了静电场定量描绘实验。
权利要求1.一种用导电纸模拟法测量静电场电势U与分布半径R关系的物理电磁学实验仪器-单层直读式静电场描绘仪，主要由绝缘底板、导电纸、金属圆柱、金属圆环和电势探针等组成，其特征是用外环内扇形导电纸[1]代换通常的平面导电纸，在外环内扇形导电纸下装置有同心圆座标纸[4]，在圆柱和圆环之间外环内扇形导电纸上设置有扇形游标盘[7]。
2.按照权利要求1所述的单层直读式静电场描绘仪，其特征在于外环内扇形导电纸是把平面圆形导电纸分成8－－36个扇形区间，每隔一个扇形区挖掉相邻的一个扇形区的导电纸，形成隔一相间的扇形导电纸区和扇形挖缺区，其中在金属圆柱和金属圆环下的导电纸不挖缺全部保留。
3.按照权利要求1所述的单层直读式静电场描绘仪，其特征在于同心圆座标纸［4］是由间距1毫米的同心圆构成圆坐标纸的刻度，其半径略大于金属圆环的外半径。
4.按照权利要求1所述的单层直读式静电场描绘仪，其特征在于扇形游标盘［7］是由透明材料做底材，用间隔为0.90－－0.98mm的圆弧线构成刻度，扇形内圆弧的曲率半径等于金属圆柱的半径，扇形外圆弧的曲率半径略小于金属圆环的内半径，扇形弧长至少大于三个外环内扇形导电纸的三个扇形区的弧长的和，扇形中间有一供电势探针活动的不连续细缝［8］。
专利摘要本实用新型涉及一种能在测量电势U的同时直读出分布半径R的物理电磁学实验仪器。其特点是采用单层结构，导电纸为外环内扇形结构，下面装有圆坐标纸，金属圆环与金属圆柱之间装置有扇形游标盘。克服了原双层式电场描绘仪的体积大，造价高，间接读半径R的缺点，具有原理简单，操作方便，实验时间短，实验数据准确，仪器造价低的优点，是静电场描绘的理想仪器，适用于大学和中学物理实验教学。
文档编号G09B23/00GK2160965SQ93206150
公开日1994年4月6日 申请日期1993年7月8日 优先权日1993年7月8日
发明者南引明 申请人:南引明