一种库仑定律的定量探究实验装置

技术领域

本发明属于教学教具技术领域，具体的说，尤其涉及一种库仑定律的定量探究实验装置。

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，用扭秤无法探究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地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，定量实验一般无法演示，而这样无法培养学生的科学思维能力和探究能力，而且缺乏操作的体验，同时会造成学生对库仑定律的片面、不深刻的理解。

发明内容

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为，本发明提供一种库仑定律的定量探究实验装置，包括实验基座，所述实验基座顶部固定放置有安装机构；所述安装机构上设置有测量组件和调节组件；

所述安装机构包括安装板，所述安装板顶部设置有移动导槽；所述安装板一端固定安装有安装立杆，所述安装立杆顶部垂直设置有安装横杆；所述安装板顶部设置有万向水平仪；

所述测量组件包括固定设置所述横杆端部的安装板，所述安装板上固定设置有转动轴，所述转动轴上固定设置有刚性杆，所述刚性杆顶部设置有配重块，所述刚性杆底部固定设置有1号带电小球；所述测量组件还包括固定设置在安装立杆一侧的测量直尺；所述测量直尺用于实时观测1号带电小球与2号带电小球的距离；所述测量直尺的顶部设置有便于测量1号带电小球转动弧度的弧形板；

所述调节组件包括移动小车，所述移动小车底部设置有便于推动移动小车的移动滚轮，所述移动滚轮安装在移动导槽内，且所述移动滚轮与移动导槽滚动连接；所述移动小车顶部竖直设置有固定筒，所述固定筒内部滑动连接有齿条板，所述齿条板一侧固定设置有安装座，所述安装座固定设置有支撑杆，所述支撑杆端部固定设置有2号带电小球；所述固定筒外侧设置有转动旋钮，所述转动旋钮一侧设置有转动齿杆，所述转动齿杆延伸至固定筒内侧与齿条板配合连接。

优选的，在所述安装板一侧可以安装设置加热玻璃，通过设置的加热玻璃，可以对实验环境进行有效的除潮，保持干燥环境，以免小球因潮湿向外导电。

优选的，所述测量直尺为木制直尺，且所述测量直尺上设置有用来标记两带电小球球心所在位置的两个游码。

优选的，所述移动小车内部设置有便于齿条板上下移动的储存腔。

优选的，所述刚性杆为碳纤维杆，且所述碳纤维杆外表面涂覆有绝缘层。用于支撑2号带电小球的支撑杆为绝缘杆

优选的，所述1号带电小球的体积与2号带电小球体积相同。

优选的，所述弧形板上的0刻度线与刚性杆竖直状态下重合。

有益效果：与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于，本实验装置通过在测量组件中设置测量直尺，可以方便的读出1号带电小球与2号带电小球之间的距离；通过设置的弧形板，且所述弧形板上设置有弧度，可以方便的读出1号带电小球摆过的弧度，方便的表示出1号带电小球受到2号带电小球静电力的大小；通过在调节组件中设置的移动小车以及对应的移动导槽，可以方便的横向移动2号带电小球，同时通过设置的转动旋钮、转动齿杆，可以对2号带电小球进行竖直方向上的上下移动，实现其球心与1号带电小球球心始终处于同一水平线上；通过装配1米多长的刚性碳纤维杆使两小球在静电力不大时也可保持间距较大，从而可以将小球看做点电荷，还可减小测量两带电球距离时的相对误差，同时两带电小球间静电力变化不大时，也可使两小球间距离变化非常明显，便于得到多组数据；通过一侧设置加热玻璃206，通过设置的加热玻璃206，可以对实验环境进行有效的除潮，保持干燥环境，以免小球因潮湿向外导电，同时对支架起到稳固作用；通过本装置可以实现两带电小球间作用力与1号带电小球转过的偏转角成正比，从而将探究静电力与电荷电量和电荷间距离的定量关系转化为探究1号带电小球偏转角与电荷电量和电荷间距离的定量关系，探究过程进行了简化。本实验装置结构简单，操作方便，可以有效的对库仑定律进行定量探究，同时，也解决了学生用传统实验装置几乎无法实现对库仑定律定量探究这一问题，也可以给学生提供实验操作的体验，培养学生的科学思维能力，提高学生的科学探究能力。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实施例提供的一种库仑定律的定量探究真空实验装置整体结构示意图；

图2为本实施例提供的一种库仑定律的定量探究真空实验装置整体结构中调节组件剖面示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本专利的技术方案作进一步详细地说明。

实施例

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明并不限于下面公开说明书的具体实施例的限制。

实施例，由说明书附图可知，本方案提供了一种库仑定律的定量探究实验装置，包括实验基座1，所述实验基座1顶部固定放置有安装机构；所述安装机构上设置有测量组件和调节组件；所述实验基座底部设置有四条支撑腿101，且四条所述支撑腿101底部均设置有便于调节支撑腿高度的升降组件；

所述升降组件包括开设在支撑腿底部的升降安装槽102，所述升降安装槽102内螺纹连接有升降螺杆103，所述升降螺杆103远离支撑腿的一端设置有支撑帽104；

所述安装机构包括放置在实验基座1顶面的安装板201，所述安装板201顶部设置有移动导槽；所述安装板201一端固定安装有安装立杆202，所述安装立杆202顶部垂直设置有安装横杆203；所述安装板201顶部设置有万向水平仪204；

所述测量组件包括固定设置所述横杆203端部的安装板301，所述安装板301上固定设置有转动轴302，所述转动轴302上固定设置有刚性杆303，所述刚性杆303顶部设置有配重块304，其作用是使配重块304和刚性杆整体重心处于转轴处；所述刚性杆303底部固定设置有1号带电小球305；所述测量组件还包括固定设置在安装立杆202一侧的测量直尺306；所述测量直尺306用于实时观测1号带电小球305与2号带电小球间的距离；所述测量直尺306的顶部设置有便于测量1号带电小球305转动弧度的弧形板307；

所述调节组件包括移动小车401，所述移动小车401底部设置有便于推动移动小车401的移动滚轮402，所述移动滚轮402安装在移动导槽内，且所述移动滚轮402与移动导槽滚动连接；所述移动小车401顶部竖直设置有固定筒403，所述固定筒403内部滑动连接有齿条板404，所述齿条板404一侧固定设置有安装座405，所述安装座405固定设置有支撑杆406，所述支撑杆406端部固定设置有2号带电小球407；所述固定筒403外侧设置有转动旋钮408，所述转动旋钮408一侧设置有转动齿杆409，所述转动齿杆409延伸至固定筒403内侧与齿条板404配合连接。

作为本技术方案的优选实施方式，在所述安装板201一侧设置加热玻璃206，通过设置的加热玻璃206，可以对实验环境进行有效的除潮，保持干燥环境，以免小球因潮湿向外导电，同时对支架起到稳固作用；

进一步的说，所述测量直尺306为木制直尺，此处刻度尺选用木尺，避免用了其它材料因感应影响电荷间的作用；另外，所述测量直尺上设置有用来标记两带电小球球心所在位置的两个游码308。

进一步的说，所述实验基座顶部设置有便于支撑测量直尺的支撑杆207，且所述测量直尺306与支撑杆通过固定螺丝安装连接。

进一步的说，所述移动小车401内部设置有便于齿条板404上下移动的储存腔410。

进一步的说，所述刚性杆303为碳纤维杆，且所述碳纤维杆外表面涂覆有绝缘层。用于支撑2号带电小球407的支撑杆406为绝缘杆；此外，所述碳纤维杆1米多长，使两小球间静电力不大时也可使两小球间距较大既保证将带电小球看做是点电荷的条件又减小距离测量的相对误差，同时两带电小球间静电力变化不大时，也可使两小球间距离变化非常明显，便于得到多组数据；

进一步的说，所述1号带电小球305的体积与2号带电小球407体积相同。

进一步的说，所述弧形板307上的0刻度线与刚性杆303竖直状态下重合。

进一步的说，所述测量直尺306上带有两个游码用来标记两个带电小球的球心位置，便于测量两带电小球之间的距离。

工作原理，

当需要探究库仑定律的时候，首先对安装板进行调平，使用人员观察设置在安装板上端面的万向水平仪204，根据万向水平仪204的实际情况对应调节实验基座底部的支撑腿调节机构，具体的说，需要对某侧支撑进行上下调节的时候，只需要转动升降螺杆103，进而对实验基座进行调平即可；

具体探究的时候，首先，将1号带电小球与铅锤下来的刚性杆303固定；将2号带电小球305固定在支撑杆406上；

其次，调整移动小车401的位置，1号带电小球305在受到2号带电小球407静电力的作用下摆动，同时，操作人员调整2号带电小球407的高度，进而使2号带电小球407与1号带电小球305球心连线保持水平且使1号带电小球305处于静止状态；同时观察测量直尺的读数与弧形板307上的转动弧度并根据在弧形板307上读出的1号带电小球转动的偏转角α，计算出对应的电荷间静电力F

再次，多次移动小车改变两带电小球间的水平距离，并相应调整2号带电小球的高度，使其与1号带电小球球心始终在同一高度，且使1号带电小球处于静止状态时，读出1号带电小球的偏转角α以及对应的两带电小球的距离s，通过得到的多组α和s，探究出α和s的关系，由于F

最后，用外界大小材质相同的不带电小球与1号带电小球305或2号带电小球407接触，进而进行电量均分来改变1号带电小球305或2号带电小球407的带电量，移动小车的水平位置同时调整2号带电小球407的高度，使其与1号带电小球305球心始终在同一水平线上且保持保持1号带电小球305、2号带电小球407间距离不变，并且使1号带电小球处于静止状态，同时读出对应的1号带电小球偏转角α，重复操以上步骤作得到1号带电小球305与2号带电小球407间距离不变时1号带电小球偏转角α与对应电量的多组数据，从而得到电荷间距离一定时α与电量的关系，由于F

此处需要说明的是，在上述操作过程中，两带电小球球心的连线在1号带电小球转动的竖直面内，且小车的移动方向和导轨平行且与竖直面平行。

上述工作原理中，

通过在测量组件中设置测量直尺，可以方便的读出1号带电小球305与2号带电小球407间距离(两球始终保持在同一水平线上)；通过设置的弧形板307，且所述弧形板307上设置有弧度，可以方便的读出1号带电小球305转过的弧度；通过在调节组件中设置的移动小车401以及对应的移动导槽，可以方便的横向移动2号带电小球407，同时通过设置的转动旋钮408、转动齿杆409，可以对2号带电小球407进行竖直方向上的上下移动(使其与1号带电小球305始终保持在同一水平线上)；

此外，在具体实施的时候，实际装置尺寸比较大，碳纤维杆1米多长，即使两小球间静电力不大时也可使两小球间距较大；装置尺寸大的好处一是可以将小球看做点电荷，二是减小测量两带电球距离时的相对误差，同时两带电小球间静电力变化不大时，也可使两小球间距离变化非常明显，便于得到多组数据；

本实验装置结构简单，操作方便，应用了转换的物理方法，可以有效的对库仑定律进行探究，同时，也解决了学生用传统实验装置几乎无法实现对库仑定律定量探究这一问题，也可以给学生提供实验操作的体验，培养学生的科学思维能力，提高学生的科学探究能力。

此外，需要说明的是，该文中出现的电器元件均与外界的主控器及220V市电电连接，并且主控器可为计算机等起到控制的常规已知设备。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。