一种空心金属圆球电场线可视化展示装置

摘要

本发明为一种空心金属圆球电场线可视化展示装置，包括：电荷发生装置，设有至少两个，用于产生正负电荷；空心金属球体，与电荷发生装置对应设置，用于收集电荷发生装置产生的电荷并产生电场；丝带，设于空心金属球体表面，在带电时沿电场线漂浮，用于显示电场线；平移装置，用于调整各个空心金属球体之间的距离。本发明的优点是：能够通过丝带直观立体的展示电场的分布，验证物理理论模型；可调节空心金属圆球间距离、电荷量和极性，实现不同参数下耦合电场可视化展示；通过摩擦生电的原理对产生电荷，利用电荷之间的作用力令空心金属球体携带电荷，能够让加深学生对摩擦生电和电荷之间的作用力的理解。

说明书

技术领域

本发明涉及物理实验装置领域，尤其涉及一种空心金属圆球电场线可视化展示装置。

背景技术

电场是物理学的重要组成部分，同时电场也是一个比较抽象的概念。与实物不同，电场虽然是客观存在的，但电场是不能直接观测的。因此，在教学时，老师只能够通过绘制电场线或是动画的形式让学生了解电场，而绘制电场线或是动画往往是电场线在二维平面上的分布，无法完整的展现电场线的空间分布，也无法具体展现对电压、距离等对电场线状态的影响。

发明内容

本发明主要解决了上述问题，提供了一种能够展现极距、极性和电荷量对电场线分布的影响及在多个电极下电场线分布情况的空心金属圆球电场线可视化展示装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是，一种空心金属圆球电场线可视化展示装置，包括：

电荷发生装置，设有至少两个，用于产生正负电荷；

空心金属球体，与电荷发生装置对应设置，用于收集电荷发生装置产生的电荷并产生电场；

丝带，设于空心金属球体表面，在带电时沿电场线漂浮，用于显示电场线；

平移装置，用于调整各个空心金属球体之间的距离。

作为上述方案的一种优选方案，所述电荷发生装置包括驱动机构、上摩擦管、下摩擦管、电荷传输带和第一电刷，所述电荷传输带设置在上摩擦管和下摩擦管上，所述驱动机构带动下摩擦管转动，下摩擦管带动电荷传输带转动，令电荷传输带与上摩擦管和下摩擦管进行摩擦起电，所述第一电刷一端接地，另一端与位于下摩擦管处的电荷传输带相接触。

作为上述方案的一种优选方案，所述空心金属球体上设有第二电刷，所述第二电刷与靠近上摩擦管处的电荷传输带相接触。

作为上述方案的一种优选方案，所述驱动机构包括电机、主动轮、从动轮和用于控制电机转向及转速的电机驱动模块，所述主动轮设置在电机输出轴上，所述主动轮带动从动轮转动，所述从动轮带动下摩擦管转动。

作为上述方案的一种优选方案，所述上摩擦管固定设置在第一竖板和第二竖板之间，所述第一竖板和第二竖板之间还设有转轴，所述下摩擦管固定设置在转轴上，所述下摩擦管两端设有防脱挡沿。

作为上述方案的一种优选方案，所述平移机构包括平移电机和支撑板，所述空心金属球体设置在支撑板上，所述平移电机控制支撑板平移。

作为上述方案的一种优选方案，包括基板和透明罩体，所述透明罩体与基板组成密闭空间，所述电荷发生装置、空心金属球体和平移装置均设置在密闭空间对应的基板上。

作为上述方案的一种优选方案，所述密闭空间对应的基板上设有干燥装置。

作为上述方案的一种优选方案，所述基板上设有扩展接口，通过扩展接口对平移装置和电荷发生装置进行控制。

本发明的优点是：能够通过丝带直观立体的展示电场的分布，验证物理理论模型；可调节空心金属圆球间距离、电荷量和极性，实现不同参数下耦合电场可视化展示；通过摩擦生电的原理对产生电荷，利用电荷之间的作用力令空心金属球体携带电荷，能够让加深学生对摩擦生电和电荷之间的作用力的理解。

附图说明

图1为实施例1中空心金属圆球电场线可视化展示装置的结构示意图。

图2为实施例1中电极单元的结构示意图。

1-空心金属球体 2-基板 3-干燥装置 4-上摩擦管 5-下摩擦管 6-电荷传输带 7-第一电刷 8-第一竖板 9-第二竖板 10-转轴 11-主动轮条 12-从动轮13-支撑板 14-第二电刷。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的说明。

实施例1：

本实施例一种空心金属圆球电场线可视化展示装置，如图1所示，包括电荷发生装置、空心金属球体1、丝带、平移装置、基板2、透明罩体、干燥装置3和扩展接口，空心金属球体1设置在平移装置上，丝带均与分布在空心金属球体1表面，电荷发生装置、平移装置、干燥装置和扩展接口均设置在基板上。透明罩体与基板组成密闭空间，所述电荷发生装置、空心金属球体和平移装置均位于密闭空间对应的基板上。

本实施例中，电荷发生装置设有两个，对应的，平移装置和空心金属球体也设有两个，一个电荷发生装置、一个平移装置和一个空心金属球体组成一个电极单元，两个电极单元镜像对称设置，丝带采用尼龙、纸、玻璃纤维或棉制成。

电荷发生装置包括驱动机构、上摩擦管4、下摩擦管5、电荷传输带6、第一电刷7、第一竖板8、第二竖板9和转轴10，以左侧的电极单元为例，上摩擦管4固定在第一竖板8和第二竖板9之间，上摩擦管4水平且垂直与第一竖板8和第二竖板9设置，上摩擦管4位于第一竖板8和第二竖板9右侧上部。转轴10也设置在第一竖板8和第二竖板9之间，转轴10平行于第一摩擦管4，转轴10位于第一竖板8和第二竖板9左侧下部，下摩擦管5固定设置在转轴10上，随着转轴10转动而转动，电荷传输带6设置在上摩擦管4和下摩擦管5之间，下摩擦管5两侧设有防脱挡沿，用于防止电荷传输带脱落。第一电刷7一端接地，另一端与位于下摩擦管处的电荷传输带相接触。驱动机构包括机电、主动轮11、从动轮12和用于控制电机转向及转速的电机驱动模块，主动轮11设置在电机输出轴上，主动轮通过皮带带动从动轮转动，从动轮固定设置在转轴10上，从动轮通过转轴带动下摩擦管转动。

平移机构包括平移电机和支撑板13，支撑板13由两个竖直板和一个水平板组成，两个竖直板设置在电荷发生装置两侧且高于电荷发生装置中的第一竖板和第二竖板，水平板设置在两个竖直板上方，空心金属球体设置在水平上表面，平移电机用于控制支撑板进行平移。本实施例中通过滑轨实现支撑板的平移。

空心金属球体上还设有第二电刷14，第二电刷与靠近上摩擦管处的电荷传输带相接触。

本实施例中，上摩擦管和下摩擦管为表面粗糙的PVC管，电荷传输带为尼龙材料，干燥装置用于保持透明罩体与基板组成密闭空间干燥，扩展接口用于连接电脑，使电脑能够对平移转轴和电荷发生装置进行控制。

在电荷发生装置运行时，如图2所示，以右侧的电极单元为例，设电荷传输带7逆时针转动为正转，在驱动机构带动电荷传输带正转时，下摩擦管5与电荷传输带摩擦生电，下摩擦管上产生负电荷，电荷传输带内侧产生正电荷，随着电荷传输带的转动，下摩擦管上不断有负电荷积蓄，使得第一电刷7与电荷传输带接触端的电子被排斥，最终第一电刷7与电荷传输带接触端带正电荷，这些正电荷随着电荷传输带的转动第二电刷14进入到空心金属球体上，使得空心金属球体带正电。电荷传输带在正转时，先经过第二电刷再经过上摩擦管，因此正电荷能够进入空心金属球体，而不会被上摩擦管吸附。

在电荷传输带反转时，上摩擦管7不断有负电荷积蓄，电荷传输带上的正电荷则是平均分布在电荷传输带内侧面，因此电荷传输带内侧在离开上摩擦管时，会携带一定的负电荷，在经过第二电刷时，第二电刷与电荷传输带接触处的电子被排斥，进而使得空心金属球体带负电。

当空心金属球体带电时，空心金属球体上的丝带也会带上相应的电荷，在空心金属球体产生的电场的影响下，丝带会沿着电场线进行漂浮，实现对电场线的可视化展示。

本实施例中，通过延长电荷传输带的转动时间可能增大空心金属球体携带的电荷量进行控制，通过提高电荷传输带的转速速率可以提高空心金属球体电荷的积蓄速度。通过平移机构，可以改变两个空心金属球体的距离，即改变极距。

实施例2：

本实施例一种空心金属圆球电场线可视化展示装置，与实施例1的不同之处在于，本实施例设有三个电极单元，即设有三个电荷发生装置、三个平移装置和三个空心金属球体，三个电极单元呈环形分布，任意相邻两个电机单元呈120度角，能够展示多个电极时的电场线分布情况进行展示。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。