一种用于物理实验课堂演示的静电悬浮陀螺仪的制作方法

本发明属于中学物理课堂实验仪器设计领域，具体涉及一种应用在物理课堂上演示静电作用实验的物理教学装置。

背景技术

静电现象早在古希腊时代就被发现了，米利都学院派的泰勒斯发现被皮毛摩擦过的琥珀可以吸引轻小的物体，但他认为这是因为琥珀被磁化了，认为这是一种磁现象。真正让电学进入科学研究视野的是科学革命时期的吉尔伯特，他在1600年的《论磁》中提出了琥珀吸引小物体是电现象，这不同于磁现象，并仿造希腊文中琥珀（elektron）一词创造了“电”这个拉丁词（electricus）。直接用毛皮摩擦琥珀来生电显然效率低下，直到“起电器”的发展，才带动了电学研究的逐渐成熟。最早在1663年，格里克设计了一种硫磺球起电器。其实就是把硫磺做成球体，可以用手摩擦然后用手柄抓握，吸附轻小物体。1705年，豪克斯比受到启发，改善了设计，用中空的玻璃球或玻璃圆筒替代了硫磺球，通过摇动一个大轮盘来提供摩擦力，生成的电荷被储存在玻璃球或玻璃管中。1745年，在荷兰的莱顿市诞生了最早的“电容器”，这就是所谓的莱顿瓶，与旋转球起电器结合，可以更大量、更持久地储存由旋转球起电器产生的静电。美国科学家富兰克林利用起电机和莱顿瓶等做了大量实验于1746年提出的正负电荷的概念并规定用丝绸摩擦过的玻璃棒带正电，用毛皮摩擦过的橡胶棒带负电。到此人们对于静电现象给出了较为科学的解释。

在中学物理学科中静电现象的学习是较为重要的知识，充分理解该部分内容是以后学库仑定律、恒定电流等经典电学知识的基础。但是由于静电现象的直观性差，传统的授课方法缺乏有效的启发作用，造成了静电现象的学习成为高中物理学习中的一个难点，教师在开始教学前通常会利用简单教具为同学们演示，教师利用辅助教具直观、形象地演示某种科学现象，可以提高同学们的学习兴趣并充分调动积极性，是一种非常有效的教学手段。尤其是在理科教学中，通过演示某些有趣的现象，引发同学们提出疑问进而开动大脑进行思考是非常值得倡导的教学方式。中学生学习的静电学知识正是从富兰克林提出的正负电荷开始，中学阶段关于静电现象的实验也主要就是富兰克林分类正负电荷的摩擦起电实验。用丝绸摩擦玻璃棒，和用毛皮摩擦橡胶棒虽然很好的为学生解释了正负电荷的分类以及同性电荷相互排斥异性电荷相互吸引的静电力作用。但这样的实验学生在小学就会接触到，实验结果早在学生的心里预期之中，缺乏新颖性，难以引起学生的研究兴趣和学习热情。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种用于中学物理课堂上演示静电作用实验的物理教学装置。该装置可以是陀螺在静电力的作用下腾空旋转。该发明解决了目前静电现象教学存在实验效果单一、实验率低、难以引起学生学习兴趣等问题。相对于已有的教学仪器或者专利，本发明有结构简单，操作容易，实验效果新颖，吸引力强，成本低易普及等优点。本发明一旦应用会显著提升静电现象的教学效果，提升学生对电学知识的研究兴趣。

本发明所述的用于物理课堂演示静电作用的教学装置，其整体结构图如图1所示。该装置由两部分构成：陀螺发射器（图2）和静电悬浮台（图3）。陀螺发射器的外壳（16）上面固定安装高速电机（11），高速电机（11）的转头安装大齿轮（17），大齿轮（17）与小齿轮（18）传动相接。小齿轮（18）的孔内下方插入陀螺（13），上方可插入推杆（14）。发射器的外壳（16）内设有电池槽（19），电池槽一（19）内安装电池（15）。外壳（16）设置有高速电机（11）的启动开关一（12）。静电悬浮台的台面（21）固定安装三个脚架（22），脚架（22）上装有电机架（24），电机架（24）中部可固定安装强扭矩电机（25），电机（25）转子上固定安装转盘（29），转盘（29）上固定安装起电刷（23）。电机架（24）设置电池槽二（27），电池槽二（27）内安装电池（28）。电机架（24）上设置强扭矩电机（25）的启动开关二（26）。

本发明的简要工作原理：静电悬浮台的台面（21）由高聚物绝缘材料制成，起电刷（23）由皮毛材料合成。启动开关二（26）连通电池（28）与强扭矩电机（25）的线路，启动电机（25）运转，电机（25）带动转盘和转盘上的起电刷转动。向上推动电机架（24）使起电刷（23）紧贴台面（21）下侧，起电刷（23）在电机（25）的带动下摩擦台面（21）。因毛皮束缚电子能力弱于高聚物材料，台面（21）在起电刷（23）的摩擦下起电带上大量负电荷。闭合开关（26）向下移动电机架（24）就得到了均匀带有负电荷的静电悬浮台（21）。

陀螺（13）由与台面（21）相同材料的高聚物制成且陀螺内部空心，陀螺（13）插入小齿轮（18）的孔内。启动开关(12)连通电池（15）与电机（11）间的线路，启动高速电机（11）转动，带动大齿轮（17）和小齿轮（18）转动，小齿轮（18）带动陀螺（13）高速旋转。先将高速旋转的陀螺（13）紧贴起电刷（23），因皮毛摩擦高聚物材料使陀螺摩擦起电带有大量负电荷。将陀螺发射器连同陀螺（13）挪至台面上方中心处。按动推杆（14）使高速旋转的陀螺在台面（21）中心处。此时陀螺（13）和悬浮台台面（21）均带有大量的负电荷，因此时陀螺（13）和台面（21）之间距离小，负电荷间的斥力之合f斥作用较强，大于陀螺本身的重力g，陀螺会（13）在悬浮台台面（21）上腾空而起。随着陀螺（13）远离台面（21）,根据电荷间作用力公式f=kqq/r²,r变大电荷间库仑力变小，陀螺（13）和台面（21）负电荷间的斥力之合f斥变小，当f斥小于陀螺（13）重力g时会使陀螺有下落的作用。陀螺会在变化的f斥与重力合作用下在悬浮台上空反复起落。因陀螺在高速旋转，角动量比较大，稳定性强，陀螺不会倒向某一侧，而是在空中持续的漂浮、旋转一段时间，直到空气的阻力作用使陀螺旋转速度慢下来，角动量减小，稳定性变弱而倒下来。也可以使陀螺（13）带电后先稳定旋转于某一可移动平板上，悬浮台面（21）带电后再移至台面（21）中心上空。缓慢移动平板及平板上的陀螺（13）来找到f斥和陀螺（13）重力g相等的位置。撤去平板后陀螺（13）在悬浮台上空稳定位置旋转，直到转速变慢，角动量减小到难以稳定陀螺的平衡后，陀螺（13）倒向某一侧。

本发明的有益效果为：

1、本发明可以通过静电作用让陀螺腾空而起，课堂效果好，吸引力强；

2、本发明可以让陀螺稳定地悬浮在空中旋转，实验现象精彩；

3、本发明可以说明角动量对于稳定性的作用；

4、本发明可以定性说明静电作用力和距离的关系；

5、本发明结构简单，操作容易；

6、本发明制作成本较低，容易普及推广到各个地方学校；

7、本发明结实耐用，不易损坏，使用周期长。

附图说明：

图1：本发明所述的静电悬浮陀螺仪整体结构图；

图2：本发明所述的静电悬浮陀螺仪的陀螺发射器图；

图3：本发明所述的静电悬浮陀螺仪的悬浮台图；

图4：本发明所述的静电悬浮陀螺仪的陀螺摩擦起电图；

图5：本发明所述的静电悬浮陀螺仪的悬浮台台面起电图；

图6：本发明所述的静电悬浮陀螺仪释放陀螺图；

图7：本发明所述的静电悬浮陀螺仪悬浮陀螺图；

图8：本发明诉述的静电悬浮陀螺仪在纸板上释放陀螺图；

图9：本发明所述的静电悬浮陀螺仪纸板拖着陀螺找平衡点图。

具体实施方式：

实施例1：用聚氯乙烯（pvc）材料制作静电悬浮台的台面（21）、脚架（22）、电机架（24）、转盘（29）、电池槽二（27）和陀螺发射器的外壳（16）、大齿轮（17）、小齿轮（18）、陀螺（13）、推杆（14）、电池槽一（19）。用羊皮毛制作起电刷（23）。高速电机（11）可采用云辉牌130型号微型高速电动机。强扭矩电机（25）可采用中奥电机品牌的r280型号微型大功率马达。开关一（12）与开关二（26）可选用risym牌pbs—33b型号按动式开关。

使用方式一：把陀螺安装到陀螺发射器上，启动开关一（12）保持陀螺（13）高速旋转的同时使陀螺紧贴起电刷（23），让陀螺（13）和起电刷（23）产生有效摩擦使陀螺（13）带电（图4）。将陀螺发射器连同陀螺一起挪至静电悬浮台台面（21）中心处，按动推杆（14）释放陀螺，使陀螺稳定高速旋转在台面（21）中央（图5）。向上移动电机架（24）使起电刷（23）紧贴台面（21）下侧，启动开关二（26）使电机（25）带动转盘（29）及其上起电刷（23）转动并与台面（21）有效摩擦使台面（21）带电（图6）。当台面（21）带电量足够多时，带同样电荷的旋转陀螺在库仑力的作用下会腾空而起（图7），并在悬浮台上空边旋转边上下浮动。

使用方式二：把陀螺安装到陀螺发射器上，启动开关一（12）保持陀螺（13）高速旋转的同时使陀螺紧贴起电刷（23），让陀螺（13）和起电刷（23）产生有效摩擦使陀螺（13）带电（图4）。准备一块硬纸板，按动推杆（14）释放陀螺（13）在纸板上（图8），保持陀螺在纸板上高速旋转的同时把纸板慢慢挪向悬浮台的上方中央处，保持陀螺在中心位置（图9）。慢慢将纸板向下移动，使纸板靠向已经带电的悬浮台台面（21），在缓慢移动的过程中，会出现陀螺不再随着纸板移动，在库伦力作用下悬空旋转（图7），撤掉纸板，陀螺会悬空旋转一段时间。