专利名称：一种库仑定律的定量验证试验装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种试验装置，尤其涉及一种库仑定律的定量验证试验装置。
背景技术：
静电力相互作用的平方反比关系，是经过法国军事工程师库仑(C·A·Coulomb，1736～1806)的实验测定才得以流传于世的。1785年，库仑利用自己的有关扭转力方面的知识，设计制作了一台精密的扭秤，进行了测定电力作用的实验。从这样的实验中，库仑得出了“带同类电的两球之间的排斥力，与两球中心之间距离的平方成反比”的结论。但限于历史阶段、科技水平等因素的限制，此实验的精度并不是很高，而且，用扭秤无法验证带异种电荷间的引力与距离之间的关系。这是因为，当小木球上的电荷在扭力为零的位置同固定电荷的位置之间运动时，扭力的大小与两球之间的距离呈线性规律变化(F扭＝k′θ＝kl)，而电荷之间的吸引力则与距离的平方关系呈反比变化(F电＝k/d2)，两者之间即使能够达到平衡，也是一种不稳定平衡。如果出现一个微扰动，电荷之间的吸引力就会比扭力增加的更快，往往导致两球相碰。库仑在论文中这样写道“即使能达到平衡，最后两球也往往会相碰，这是因为扭秤十分灵活，多少会出现左右摇摆的缘故”。事实上，库仑后来是利用“电摆”装置证明了电吸引力与距离的平方反比关系。然而，尽管如此，库仑声称他还是首先使用了扭力同电吸引力平衡的方法进行了测量，并说明他由此得到电吸引力也满足平方反比律的结论。
在进行库仑定律的教学时，教师往往是先进行定性实验，然后再介绍库仑扭秤装置。限于仪器的精度及操作方面的问题，定量实验一般不进行演示，而这样势必会造成学生对库仑定律的片面、不深刻的理解，而且缺乏实践方面的体验。
实用新型内容针对上述存在的问题，本实用新型的目的在于提供一种便于试验操作、且测量精度高的库仑定律的定量验证试验装置。
为实现上述目的，本实用新型一种库仑定律的定量验证试验装置包括水平板、中间板、垂直板、导槽、包有金箔的有机玻璃薄片和金属球；中间板的一侧可转动安装在水平板上，垂直板垂直固定在中间板上，并与所述中间板转动轴线相垂直；导槽设置所述中间板面上的中间，并与所述垂直板和中间板的交线相平行，所述金属球可滑动安装在该导槽上，并通过导线与一静电高压发生器相连；所述垂直板上安装有测角图片，在该测角图片的圆心位置悬挂一用于确定所述中间板倾斜转角的重锤，在所述垂直板靠下方上水平设置一刻度尺；所述有机玻璃薄片通过一悬臂悬挂在所述重锤侧面，该悬臂与所述垂直板面相垂直。
进一步地，所述金属球通过一底座可滑动安装在所述导槽上，该金属球通过一有机玻璃螺杆转动安装在该底座上，所述底座上还设置有用于读取所述金属球在所述刻度尺上相对位置的指针。
本实用新型不仅操作方便，通过演示使学生能够更深刻地理解库仑定律，而且测量精度高，可将误差控制在5％以内。
图1为实用新型结构示意图，该图同时表示中间板未倾斜一定角度的状态。
图2为将中间板倾斜一定角度的状态图。
图3为调整金属球到适当位置，使悬挂薄片的两根细线的拉力与中间板垂直的状态图。
图4为对图3的薄片受力分析图。
具体实施方式
如图1所示，本实用新型包括水平板1、中间板2、垂直板3、导槽8、包有金箔的有机玻璃薄片5和金属球4；中间板2的一侧可转动安装在水平板1上，垂直板3垂直固定在中间板2上，并与中间板2转动轴线相垂直；导槽8设置中间板2面上的中间位置，并与垂直板3和中间板2的交线相平行，金属球4通过有机玻璃螺杆14安装在底座13上，调节螺杆14来调节金属球4的高度，底座13可滑动安装在该导槽8上，底座13上还设置有用于读取金属球4在刻度尺(下述)上相对位置的指针15，从而确定金属球4与薄片5之间的距离，金属球4通过导线与一静电高压发生器相连(未图示出)，用于产生静电；垂直板3上安装有精确为0.1度的测角度的用测角图片6，在该测角图片6的圆心位置悬挂一用于确定中间板2倾斜转角的重锤10，在垂直板3靠下方上水平设置一刻度尺9；有机玻璃薄片5通过一悬臂7悬挂在重锤10侧面，该悬臂7与垂直板3面相垂直，悬臂7的宽度与垂直板3的厚度之和为中间板2的宽度。另外，水平板1上还可以设置调节水平面的旋钮11，以确保中间板2在试验前保持水平状态，在悬臂7的末端与该末端垂直对应的中间板2的边缘之间可设置用于固定观察者视线位置的观察线12。
实验之前，先将中间板2的各个方向均调节呈水平状态，并保证金属球4与薄片5的中心连线水平，当薄片4静止时，使悬挂薄片5的两根细线与重锤线、测角图片6上的0刻度线、观察线12在同一竖直面内。
1)验证斥力F与距离r的二次方成反比。
如图2所示，实验时，将中间板2旋转一个角度，打开静电高压发生器，使金属球4带电，并同时使薄片5带电。这时，悬挂薄片5的两根细线会摆起一个角度。同时，重锤线也会与0刻度线有一个角度(此角度即为中间板2被垫起的角度)。如图3所示，调整金属球4的位置，使悬挂薄片5的两根细线与0刻度线、观察线12重合，这就确保了悬挂薄片5的两根细线的拉力与中间板2垂直。如图4所示，对此时薄片5受力分析，它受到三个力作用重力G、绳的拉力T、带电金属球4对薄片5的斥力F。将重力G正交分解沿平行中间板2方向的分力G1，沿垂直板3方向的分力G2。由平衡条件得mgsinθ＝F若F与二者之间的距离r的二次方成反比，则有mgsinθ∝ 1/r2即mgsinθ·r2＝常数即sinθ·r2＝常数改变中间板2的倾角θ，测出对应的r值，计算出各组sinθ·r2的值，若为一常数，则证明了F∝ 1/r2。
2)验证引力与距离的二次方成反比只需将利用静电高压发生器的两个电极让金属球4和薄片5带上异种电荷，并将金属球4的位置变为放到薄片5的左边，其他操作、原理同上。
另外，为使实验便于操作，结果更精确，可以在仪器外罩一个薄的有机玻璃罩，并让外罩与抽气机相连，带底座的金属球5可以通过机械传动装置在罩外控制。为了把水平板1、中间板2、垂直板3的静电感应的因素降到最低，应保证薄片5静止时位置相对于中间板2和垂直板3对称。
权利要求1.一种库仑定律的定量验证试验装置，其特征在于，包括水平板、中间板、垂直板、导槽、包有金箔的有机玻璃薄片和金属球；中间板的一侧可转动安装在水平板上，垂直板垂直固定在中间板上，并与所述中间板转动轴线相垂直；导槽设置所述中间板面上的中间，并与所述垂直板和中间板的交线相平行，所述金属球可滑动安装在该导槽上，并通过导线与一静电高压发生器相连；所述垂直板上安装有测角图片，在该测角图片的圆心位置悬挂一用于确定所述中间板倾斜转角的重锤，在所述垂直板靠下方上水平设置一刻度尺；所述有机玻璃薄片通过一悬臂悬挂在所述重锤侧面，该悬臂与所述垂直板面相垂直。
2.根据权利要求1所述的一种库仑定律的定量验证试验装置，其特征在于，所述金属球通过一底座可滑动安装在所述导槽上，该金属球通过一有机玻璃螺杆转动安装在该底座上，所述底座上还设置有用于读取所述金属球在所述刻度尺上相对位置的指针。
专利摘要本实用新型公开了一种库仑定律的定量验证试验装置，包括水平板、中间板、垂直板、导槽、包有金箔的有机玻璃薄片和金属球；中间板的一侧可转动安装在水平板上，垂直板垂直固定在中间板上，并与中间板转动轴线相垂直；导槽设置中间板面上的中间，并与所述垂直板和中间板的交线相平行，所述金属球可滑动安装在该导槽上；所述垂直板上安装有测角图片，在该测角图片的圆心位置悬挂一重锤，在所述垂直板靠下方上水平设置一刻度尺；所述有机玻璃薄片通过一悬臂悬挂在所述重锤侧面，该悬臂与所述垂直板面相垂直。本实用新型不仅操作方便，通过演示使学生能够更深刻地理解库仑定律，而且测量精度高，可将误差控制在 5％以内。
文档编号G09B23/00GK2922002SQ200620124748
公开日2007年7月11日 申请日期2006年7月4日 优先权日2006年7月4日
发明者韩晓东 申请人:韩晓东