一种静电学实验装置及其实验方法

摘要

本发明的静电学实验装置包括金属壳，两金属壳均为中空结构，且分别安装在支撑板上，支撑板上设有与金属壳连通的通孔，支撑板两端分别通过第一支柱安装在底座一侧，顶升机构安装在底座另一侧，两储球管内分别装有金属球，并安装在顶升机构上，两金属壳分别连接Y型轨道分叉端，Y型轨道重合端连接两储球管顶部，两金属板分别设在Y型轨道两侧，且分别通过第二支柱对称安装在底座上，两金属板分别通过导线连接电源，Y型轨道重合一端中部设有导电片，底座、第一支柱、第二支柱、支撑板、储球管和Y型轨道均为绝缘材料制成。还提供了实验方法，该发明能通过金属球动态循环的滚动过程进行多个静电学实验项目，便于静电学概念和规律的科学探究。

说明书

技术领域

本发明属于静电学科教设备技术领域，具体涉及一种静电学实验装置及其实验方法。

背景技术

静电学中的一些重要物理概念，包括电场强度、电势、电通量、电容等抽象难懂，一些物理理论，包括静电场中的高斯定理、电场强度与电势的关系、电容器充放电过程、静电平衡现象、静电感应现象等，与学生的日常生活联系很少，学习者缺乏足够的经验积累，增加了学习的难度。

目前相关的静电学实验，可以分为两种类型。第一种类型是利用简单的仪器，演示一些简单的静电学现象，例如摩擦起电、静电作用力等。这些实验存在诸多影响因素，例如仪器的性能、周围环境变化等，导致实验精确度不高，实验结果的可控性较差。

第二种类型是利用复杂和专业的仪器，对于某些物理概念和理论进行分析研究。这些实验侧重于对某个物理概念或者理论的分析，研究对象单一，现象和结果明确，需要进行复杂的数据记录和处理。例如静电场描绘实验，目的是用模拟法测量静电场的分布，需要使用静电场测绘仪，检流计，电阻箱，方格纸等器材，通过复杂的理论分析与计算得出结论。

发明内容

为了解决现有技术的缺陷，本发明提供一种静电学实验装置及其实验方法，具体方案如下：

静电学实验装置，包括底座、金属壳、顶升机构、储球管、第一支柱、金属板、第二支柱、支撑板和Y型轨道，两金属壳均为中空结构，且分别安装在支撑板上，支撑板上设有与金属壳连通的通孔，支撑板两端分别通过第一支柱安装在底座一侧，顶升机构安装在底座另一侧，两储球管内分别装有金属球，并安装在顶升机构上，两金属壳分别连接Y型轨道分叉端，Y型轨道重合端连接两储球管顶部，两金属板分别设在Y型轨道两侧，且分别通过第二支柱对称安装在底座上，两金属板分别通过导线连接电源，Y型轨道重合一端中部设有导电片，底座、第一支柱、第二支柱、支撑板、储球管和Y型轨道均为绝缘材料制成。

进一步地，还包括返回轨道、红外光电开关、计数器和测电器，两返回轨道一端分别连接通孔，所述顶升机构包括外壳、活动块、顶杆、Z型连杆和减速电机，外壳顶部设有两端分别设有球入口和球出口，两返回轨道另一端分别连接球入口，两球出口分别连接储球管，活动块活动穿入外壳，外壳两侧分别设有圆孔，活动块顶部两侧分别设有顶杆通道，活动块两侧分别对称设有与顶杆通道联通的滑轨，两Z型连杆另一端依次活动穿过圆孔和滑轨分别连接顶杆，另一端分别连接减速电机输出轴或支座，两顶杆分别活动设在顶杆通道内，所述红外光电开关安装在Y型轨道与储球管连接处，计数器连接红外光电开关，测电器连接金属壳。

进一步地，所述顶杆通道为漏斗状。

进一步地，所述测电器为指针验电器或静电计。

进一步地，所述金属板为方形，两对称的金属板之间相距10～30cm，所述金属壳为球状，其顶部和底部分别设有相互联通的开口，顶部开口直径大于底部开口直径5～10mm。

进一步地，所述绝缘材料为亚克力板、有机玻璃或塑料，所述第一支柱和第二支柱之间相距10～40cm，第二支柱高于第一支柱5～30cm。

一种所述的静电学实验装置的实验方法，包括如下步骤：

步骤(1)，接通电源，使两金属板之间分布稳恒的静电场；

步骤(2)，启动顶升机构每次同步将两储球管内顶部的金属球分别运送到Y型轨道，通过Y型轨道进入静电场中，使金属球表面分别布满正、负电荷后从Y型轨道分叉端分别进入对应的金属壳内，金属球表面的正、负电荷转移到金属壳外表面后转变为失电金属球，依次经过金属壳底部开口和支撑板的通孔滑进返回轨道，通过返回轨道和顶升机构返回至储球管底部，重复该步骤直到实验结束，通过测电器显示金属壳表面的电势变化，通过红外光电开关和计数器统计金属球的滚动数量。

本发明的优点

1、本发明的静电学实验装置不同于常规的简单演示实验或者专业实验仪器，能够同时对多个静电场的物理概念和理论进行研究，实验过程中避免了人为操作对实验结果的影响，现象生动有趣。

2、本发明的静电学实验装置的使用对象广泛，针对从初中到高中、大学阶段的不同学习者的能力和素质要求，进行不同难度的实验项目和现象分析。例如初中学生通过实验一的静电感应实验现象，只需要认识到两个金属球上分别出现了正、负电荷；高中学生需要理解这些正、负电荷都集中在金属球的外表面；大学阶段的学习者需要分析正、负电荷产生的物理过程和机制。

3、本发明的静电学实验装置结构科学合理、实验现象稳定、受周围环境变化影响小，适合学习者动手操作，且工艺流程简单，技术要求难度较低，能通过金属球动态循环的滚动过程进行多个静电学实验项目，便于学习者静电学概念和规律的科学探究。

附图说明

图1为本发明的静电学实验装置的整体结构示意图。

图2为图1的部分结构立体图。

图3为图1的顶升机构的结构示意图。

图4为图3的活动块、顶柱、Z型连杆和减速电机连接示意图。

图5为图3的顶升机构的顶杆移动到球入口时的状态图。

图6为图3的顶升机构的顶杆移动到球出口时的状态图。

图7为实验1的常规静电感应实验示意图。

图8为实验2的常规静电平衡实验示意图。

图中：

1、测电器；2、金属壳；3、Y型轨道；4、金属板；5、返回轨道；6、金属球；7、红外光电开关；8、储球管；9、减速电机；10、底座；11、计数器；12、支撑板；13、第一支柱；14、第二支柱；15、导管；16、外壳；17、活动块；18、顶杆；19、球入口；20、球出口；21、导电片；22、顶杆通道；23、滑轨；24、Z型连杆；25、圆孔；26、支座。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步地解释和说明，需要注意的是，本具体实施例不用于限定本发明的权利范围。

如图1至图6所示，本具体实施例提供的静电学实验装置包括底座10、金属壳2、顶升机构、储球管8、第一支柱13、金属板4、第二支柱14、支撑板12、Y型轨道3、返回轨道5、红外光电开关7、计数器11和测电器1。

所述金属壳2为球状，其顶部和底部分别设有相互联通的开口，顶部开口直径大于底部开口直径5～10mm。

将两金属壳2分别安装在支撑板12上，金属壳2之间间距5～10cm，两者不可相互接触，且金属壳2的内表面和外表面保持清洁和抛光。支撑板12底部两端分别通过第一支柱13安装在底座10一侧，顶升机构安装在底座10另一侧。

所述顶升机构包括外壳16、活动块17、顶杆18、Z型连杆24和减速电机9，外壳16顶部设有两端分别球入口19和球出口20，活动块17活动穿入外壳16，外壳16两侧分别设有圆孔25，活动块17顶部两侧分别设有顶杆通道22，所述顶杆通道22为漏斗状。活动块17两侧分别对称设有与顶杆通道22联通的滑轨23，两Z型连杆另一端依次活动穿过圆孔和滑轨分别连接顶杆，另一端分别连接减速电机输出轴或支座，两顶杆18分别活动设在顶杆通道22内。作为优选地，两Z型连杆24一端依次活动穿过圆孔25和滑轨23分别连接顶杆18，其中一个Z型连杆24另一端通过联轴器连接减速电机9输出轴，另一个Z型连杆24另一端通过轴承安装在支座26上。做实验时，可通过减速电机带动Z型连杆24转动控制顶升机构工作，也能通过手动转动Z型连杆24控制顶升机构工作。

顶升机构的作用在于通过减速电机9带动顶杆18做圆周运动，顶杆18推动活动块17在外壳16中做左右往返的直线运动，从而使两顶杆通道22来回运动在球入口19和球出口20的正下方。

将两储球管8分别安装在顶升机构的两球出口20处，两储球管8内分别装有金属球6。

所述Y型轨道3重合部分的长度为Y型轨道3总长度的60％～70％，分叉部分的长度为Y型轨道3总长度的40％～30％。将Y型轨道3重合端AE、BE分别连接两储球管8顶部，Y型轨道3的分叉端EC、ED分别通过导管15连接金属壳2。Y型轨道3重合端AE、BE中部设有导电片21，导电片21的目的在于确保两个金属球6同时在Y型轨道3上滚动时，两金属球6之间能通过导电片21相互接触，从而实现两个金属球6在运动过程中始终保持良好的接触状态。优选地，Y型轨道3的内部直径大于金属球6的直径3～10mm，能确保金属球6能在Y型轨道内顺利滚动。

支撑板12上设有与金属壳2连通的两个通孔，两返回轨道5一端分别连接通孔，另一端分别连接顶升机构的两球入口19。

顶升机构、Y型轨道3和返回轨道5的工作方式为：通电后，减速电机9通过Z型连杆24带动两顶杆18沿着滑轨23方向来回做圆周运动，活动块在两顶杆18的推动下做左右往返的直线运动，当活动块17上的顶杆通道22移动到球入口19时，从返回轨道5上返回的两金属球6通过球入口19进入顶杆通道22，并沿着顶杆通道22分别滑落到两顶杆18上，两金属球6分别跟随两顶杆18做圆周运动，当两顶杆18分别运动到最高点时，到达球出口20处，两金属球6分别挤入两储球管8底端，使两储球管8顶端的两金属球6被挤出进入Y型轨道3内。重复循环该工作方式，直至实验结束。

两金属板4分别设在Y型轨道3两侧，且分别通过第二支柱14对称安装在底座10上。优选地，所述第一支柱和第二支柱之间相距10～40cm，第二支柱高于第一支柱5～30cm，使Y型轨道3呈倾斜状态，有利于金属球6顺利从储球管8运到到金属壳2内。

两金属板4分别通过导线连接电源，目的在于使两金属板4的表面分别带有正、负电荷，形成一个带电的电容器，两个金属板4之间存在一个稳定的静电场。优选地，金属板4为矩形或正方形，且表面光滑。两对称的金属板4之间相距10～30cm。

红外光电开关7安装在Y型轨道3与储球管8连接处，计数器11连接红外光电开关7。计数器11工作过程：当有金属球6经过红外光电开关7时，计数器11通过红外光电开关7产生输入信号输入开始计数。

测电器1连接金属壳2。优选地，所述测电器1为指针验电器或静电计。

计数器11为JAKON品牌的SD76计数器，厂家来源于上海佳控仪表有限公司。

指针验电器采用J23007型指针验电器，根据两箔片张开角度来估计带电量的大小。

静电计则采用美国Prostat PFM-711B手持式静电测试仪，用于定位和测量静电场密度。

底座10、第一支柱13、第二支柱14、支撑板12、储球管8、Y型轨道3和返回轨道5均为绝缘材料制成。所述绝缘材料为亚克力板、有机玻璃或塑料。

金属壳2、金属板4和金属球6均为导电性能良好的不锈钢、铜或铝材质制成。

工作原理：

接通电源，两金属板6的表面分别带有正、负电荷，使两块金属板6之间存在一个稳定的静电场，顶升机构的顶杆18将储球筒8的金属球6送入Y型轨道3重合端内通过导电片21进行接触运动，经过静电场后，金属球6表面带有正、负电荷，再通过Y型轨道3分叉端分离进入对应的金属壳2中，将金属球6表面的正、负电荷转移到金属壳2的外表面后，从金属壳2底部开口和支撑板12转变为失电金属球6滑进返回轨道5，通过返回轨道5送回顶升机构的球入口19，顶升机构的顶杆18将失电金属球6运送至储球管8底部，继续循环该步骤直至实验结束。通过红外光电开关7和计数器11统计金属球6的滚动数量，通过测电器1显示金属壳2表面的电势变化，便于学生更好地学习了解金属球6的滚动数量与金属壳2电势之间的定量关系。

一种静电学实验装置的实验方法，包括如下步骤：

步骤(1)，接通电源，两金属板6的表面分别带有正、负电荷，使两块金属板6之间存在一个稳定的静电场；

步骤(2)顶升机构的顶杆18将两储球管8内顶部的两金属球6分别同时运送到Y型轨道3重合一端，并沿着Y型轨道3运动进入静电场中，由于静电感应，使两金属球6表面分别布满正、负电荷，两带正、负电荷的金属球6分别通过导电片21保持接触，确保两金属球6在Y型轨道3运动时出现一前一后不同步的状态时，两金属球6依然能通过导电片21接触，使两金属球6在Y型轨道3的AE、BE运动过程中始终保持接触状态。两带正、负电荷的金属球6通过Y型轨道3分叉端EC、ED分别进入对应的金属壳2内，实现两个带正、负电荷的金属球6分离，金属球6表面的正、负电荷转移到金属壳2外表面后转变为失电金属球6，失电金属球6表面不再有电荷分布，失电金属球6依次经过金属壳2底部开口和支撑板12的通孔滑进返回轨道5，由于支撑板12为绝缘材料制成，因此能保证失电金属球6离开金属壳2时，不会和金属壳2的外表面发生接触而吸收部分电荷。失电金属球6通过返回轨道5返回至顶升机构的球入口19中，通过顶杆18运送回储球管8底部，重复该步骤直到实验结束，通过测电器1连接金属壳2表面，从而动态显示金属壳2表面的电势变化与数值，通过红外光电开关7和计数器11统计金属球6的滚动数量，通过计数器11统计的金属球6的滚动数量，并通过测电器1显示的电势变化与数值，能够使学生更好地观察金属壳2外表面的电荷数量不断增加，揭示金属球6的数量与金属壳2电势之间存在的定量关系。

上述静电学实验装置通过动态的金属球6循环滚动过程，能进行多个静电学实验项目，便于学生能够科学的探究静电学概念和规律。以下列举多个静电学实验项目：

实验1：静电感应实验

静电感应的原理是：一个带电体靠近中性导体，电荷间相互吸引或排斥，中性导体中的电荷会趋向或远离带电体，使导体靠近带电体的一端带异号电荷，远离带电体的一端带同号电荷。

如图7所示，常规的实验过程是：为了分离正负电荷，通常把两个中性导体先相互接触，感应带电后再分离开，使得两个导体分别带有不同的电荷。

本具体实施例的静电学实验装置利用两个金属球6在Y型轨道3上运动，Y型轨道3重合端AE、BE，两个金属球6相互接触，分别感应出正、负电荷。在Y型轨道3分叉端CE、DE，两个金属球6分离，成为独立的带电体，这个静电感应过程以及电荷分离过程，都是自动进行的，不需要人为地分开两个带电体，而且静电感应现象能够反复进行，只要两个金属球6不断地在Y型轨道3上运动。通过计数器统计运动金属圆球的数量，无需人工统计。

实验2：导体静电平衡实验

理论分析：处于静电平衡状态的带电导体,电荷只能分布在导体的外表面。

常规静电平衡实验使用的是法拉第圆筒实验，取两个验电器A和B，在B上装一个封闭的空心金属圆筒C(法拉第圆筒)，使B和C带电，用有绝缘柄的金属小球d先跟C的外部接触，再把d跟A金属球接触，显示小球d把C的一部分电荷搬运给A，小球d接触C的内部，显示法拉第圆筒的内部不带电。

如图8所示，常规方案存在验电器上积聚的电荷十分有限，静电易放电及环境的影响,实验不易成功。

本具体实施例的静电学实验装置采取的技术路线是，通过带正、负电荷的金属球6落入到金属壳2内，金属球6表面的正、负电荷转移到金属壳2的外表面，当金属球6不断地进入和穿出金属壳2时，金属壳2外表面的电荷数量在不断增加，能有效弥补因为环境因素而流失的电荷。该方案采取有效绝缘手段，不需要人工进行操作，过程能反复进行，提高了实验的可靠性和科学性。

实验3：定量演示高斯定理：

静电场的高斯定理：通过真空中的静电场中任一闭合面的电通量等于包围在该闭合面内的电荷代数和的ε

常规的静电场模拟实验方法，例如导电纸打点法和以水为导电介质的双层探针打点法，需要使用静电场描绘仪、万用电表、坐标纸等，实际操作过程中存在导电纸上石墨层厚薄不均匀及电极与导电纸接触不均匀,导致描绘出的电场与预期的相关甚远。以水为导电介质的双层探针打点法要求上下两探针必须同轴才能较好地描绘出模拟静电场,由于支撑两探针的长薄铜片极易形变,导致上下两探针严重错位而不能同轴,描迹误差太大,严重影响实验效果。

本具体实施例中的静电学实验装置，通过分析金属壳2外表面的电量以及金属壳2外表面的电场强度大小，能够直观地显示高斯定理中相关物理量之间的变化关系，具有现象直观，结构科学等突出优点。

实验4：直观演示等势面

等势面是电场中电势相同的各点组成的曲面。

常规的描绘等势线实验，实验原理是利用导电纸上形成的稳恒电流场模拟静电场，同样需要静电场描绘仪和坐标纸等。

本具体实施例中的两个金属壳2为两个等势体，金属壳2外表面各处的电势都相等，利用静电计直接测量金属壳2外表面的电荷与电势大小，具有操作简便、现象明显等突出优点。

实验5：研究电荷量Q、电场强度E、电势V的关系

本具体实施例中的计数器11能统计出在Y型轨道3上运动通过的金属球6数量，这些金属球6把电荷传递给金属壳2，使得金属壳2外表面的电荷量Q增加，电场强度E和电势V也相应地增加。利用静电计测量金属壳2外表面的电场强度E与电势V大小，能分析电荷量Q、电场强度E、电势V等三个物理量之间的定量关系。