静电加速演示仪的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明属于教学实验设备技术领域，具体涉及一种静电加速演示仪。
【背景技术】
[0002]电场对场中电荷有力的作用，并可对其做功，这是静电场理论的基本观点，也是现代技术中静电加速器对基本粒子加速的理论依据，但由于理论涉及的电场无形、电荷是微观物体，使得理论抽象，难于理解和验证。
[0003]本发明设计的仪器用有形电极明确电场分布区域和方向，用喷有导电漆的乒乓球代替微观带电粒子，用乒乓球在半球面中运动平面的高低演示乒乓球动能的大小，通过观察乒乓球的运动，诠释电场的基本理论，诠释现代技术中静电加速器的基本原理。本仪器在中学、大学物理课堂上均可使用，且效果震撼，说服力强、印象深刻，填补了教学演示中的空白。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是提供一种体积小、携带方便、操作简单，稳定性好、趣味性强的静电加速演示仪，可以在课堂上清晰、明了的演示静电场对带电粒子有力的作用，并可对其做功。
[0005]本发明提供的静电加速演示仪，其结构如图1所示，其由加速轨道1、被加速物体2、直流高压电源3三部分组成。其中:
所述加速轨道结构如图2所示，包括绝缘底座4、绝缘半球形球面5、绝缘电极支架6和高压电极四部分组成。其中，绝缘底座4采用硬质绝缘材料，实心、空心均可。绝缘半球面5采用透明硬质绝缘材料，其底部(即中心处)置于绝缘底座4上。绝缘电极支架6采用硬质绝缘材料，由一根立柱(实心、空心均可)，及固定上、下两端的各一块圆板构成(如图4)，竖立于绝缘半球面内中心处。高压电极由多组导电胶带并联而成，其中，所有正极均匀粘贴在半球面上，从半球面上口沿径向汇聚于半球面底部(如图2)，所有负极起于半球面1/3处，沿径向贴至半球面上口，经悬空汇聚于电极支架6上端圆板，俯视看，所有正、负电极成均匀交错排列(如图2、3所示)。
[0006]所述的被加速物体为金属球或金属球壳。具体可以采用喷有导电漆的乒乓球，作为导电的宏观金属球壳。
[0007]所述的直流高压电源给高压电极提供电源。
[0008]实验时，直流高压电源给电极提供电荷，“金属球壳”在电场力作用下奔向离得最近的电极(例如正极)，在电极处带上与电极相同符号的电荷(+q)，同时，由于同号电荷相斥，异号电荷相吸以及惯性的作用，“金属球壳”将加速奔向相邻电极(负极)，在下一个电极处，“金属球壳”上与该电极异号的电荷(+q)被中和掉，并重新带上与该电极相同符号的电荷(_q)，同理，重新带电后的“金属球壳”又会奔向下一个相邻电极(正极)，如此往复，“金属球壳”将在电场力的作用下不断被加速，从而动能越来越大，宏观表现是“金属球壳”运动的轨道平面越来越高，动能增量源于电场力做功。
[0009]本静电加速演示仪用有形电极明确电场分布区域和方向，使实验容易理解。
[0010]本静电加速演示仪用喷有导电漆的乒乓球代替微观带电粒子，使现象直观可视。
[0011]本静电加速演示仪用乒乓球在半球面中运动平面的高低演示乒乓球动能的大小，使实验现象生动有趣，有说服力。
[0012]本静电加速演示仪通过改变直流电压的数值，可改变乒乓球所能达到的最高运动平面，说明“金属球壳”运动的能量来源于静电场力做功;通过改变带电球体的质量，可以改变球体圆周运动的周期，定性演示了做圆周运动物体运动周期与质量有关。
【附图说明】
[0013]图1为本静电演示仪结构图示。
[0014]图2为加速轨道的结构图。
[0015]图3为绝缘半球面的俯视图。
[0016]图4为绝缘支架的结构图
图中标号:I为加速轨道，2为被加速物体，3为直流高压电源，4为绝缘底座，5为绝缘半球面，6为绝缘支架，7为高压电极的负极，8为高压电极的正极。
【具体实施方式】
[0017]静电加速演示仪结构如图1所示，其由加速轨道1、被加速物体2、直流高压电源3三部分组成。其中
所述加速轨道构成如图2所示，包括绝缘底座4、绝缘半球形球面5、绝缘电极支架6和高压电极7、8四部分组成。其中绝缘底座4作用是防止电极漏电，采用硬质绝缘材料，粗细不限，实心、空心均可，高度在5cm以上即可。绝缘半球面5底部置于绝缘底座4上，提供电极安放场地和“金属球壳”的运动场地，为方便从侧面观看实验现象，需采用透明硬质绝缘材料，且尺寸太小不便观察，太大不便携带，本装置采用的是有机玻璃半球面，直径50cm。绝缘电极支架6采用硬质绝缘材料，由一根立柱(粗细不限，实心、空心均可)，上下各一块圆板构成(如图4)，支架的作用在于分离正负电极，使之不易放电，支架竖立于绝缘半球面内中心处。高压电极由4组导电胶带并联而成，所有正极均匀粘贴在半球面上，并汇聚于半球面底部(如图2);所有负极起于半球面下半部分，汇聚于导电支架上端，所有正、负电极均匀交错排列(如图2、3所示)。
[0018]所述被加速的对象尺寸不能太小，否则带电量少，现象不明显，又不能太重，否则阻力大，故采用喷有导电漆的乒乓球，形成一个可以导电的宏观“金属球壳”。
[0019]所述电源采用直流高压电源，需能提供3万伏以上的直流电压。
[0020]本实验通过直流高压电源给电极提供电荷，“金属球壳”在电场力作用下奔向离得最近的电极(例如正极)，在电极处带上与电极相同符号的电荷(+q)，同时，由于同号电荷相斥，异号电荷相吸以及惯性的作用，“金属球壳”将加速奔向相邻电极(负极)，在下一个电极处，“金属球壳”上与该电极异号的电荷(+q)被中和掉，并重新带上与该电极相同符号的电荷(_q)，同理，重新带电后的“金属球壳”又会奔向下一个相邻电极(正极)，如此往复，“金属球壳”将在电场力的作用下不断被加速，从而动能越来越大，宏观表现是“金属球壳”运动的轨道平面越来越高，动能增量源于电场力做功。
[0021]实验中，通过改变直流电压的数值，可改变乒乓球所能达到的最高运动平面，说明“金属球壳”运动的能量来源于静电场力做功;通过改变带电球体的质量，可以改变球体圆周运动的周期，定性演示了做圆周运动物体运动周期与质量有关。
【主权项】
1.一种静电加速演示仪，其特征在于，由加速轨道、被加速物体、直流高压电源组成;其中: 所述加速轨道包括绝缘底座、绝缘半球形球面、绝缘电极支架和高压电极;其中，绝缘底座采用硬质绝缘材料，绝缘半球面采用透明硬质绝缘材料，绝缘半球面的底部位于绝缘底座上;绝缘电极支架采用硬质绝缘材料，由一根立柱及固定于上、下两端的各一块圆板构成，竖立于绝缘半球面内中心处;高压电极由多组导电胶带并联而成，其中，所有正极均匀粘贴在半球面上，从半球面上口沿径向汇聚于半球面底部，所有负极起于半球面1/3处，沿径向贴至半球面上口，经悬空汇聚于电极支架上端圆板，俯视看，所有正、负电极成均匀交错排列； 所述被加速物体为金属球或金属球壳； 所述直流高压电源给高压电极提供电源。2.根据权利要求1所述的静电加速演示仪，其特征在于，所述被加速物体为喷有导电漆的乒乓球，形成一个导电的宏观金属球壳。
【专利摘要】本发明属教学实验设备技术领域，具体为一种静电加速演示仪。本静电加速演示仪由加速轨道、被加速物体、电源三部分构成，其中加速轨道由绝缘底座、绝缘半球形球面、绝缘电极支架和高压电极组成，被加速的对象为可导电的宏观金属球，电源采用直流高压电源。实验中，用直流高压电源使各高压电极带电，通过带电球在各电极上不断充放电、一边运动一边被加速的过程，展示电场对带电物体的作用。本仪器体积小，携带方便、操作简便，稳定性好，将微观过程宏观化，趣味性强，适合携带到课堂作随堂演示。
【IPC分类】G09B23/18
【公开号】CN105528945
【申请号】CN201610042965
【发明人】吕景林, 杨凯鸣
【申请人】复旦大学
【公开日】2016年4月27日
【申请日】2016年1月22日