靜電加速演示儀的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型屬教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種靜電加速演示儀。本靜電加速演示儀由加速軌道、被加速物體、電源三部分構(gòu)成，其中加速軌道由絕緣底座、絕緣半球形球面、絕緣電極支架和高壓電極組成，被加速的對象為可導(dǎo)電的宏觀金屬球，電源采用直流高壓電源。實(shí)驗(yàn)中，用直流高壓電源使各高壓電極帶電，通過帶電球在各電極上不斷充放電、一邊運(yùn)動(dòng)一邊被加速的過程，展示電場對帶電物體的作用。本儀器體積小，攜帶方便、操作簡便，穩(wěn)定性好，將微觀過程宏觀化，趣味性強(qiáng)，適合攜帶到課堂作隨堂演示。
【專利說明】
靜電加速演示儀
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實(shí)用新型屬于教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種靜電加速演示儀。
【背景技術(shù)】
[0002]電場對場中電荷有力的作用，并可對其做功，這是靜電場理論的基本觀點(diǎn)，也是現(xiàn)代技術(shù)中靜電加速器對基本粒子加速的理論依據(jù)，但由于理論涉及的電場無形、電荷是微觀物體，使得理論抽象，難于理解和驗(yàn)證。
[0003]本實(shí)用新型設(shè)計(jì)的儀器用有形電極明確電場分布區(qū)域和方向，用噴有導(dǎo)電漆的乒乓球代替微觀帶電粒子，用乒乓球在半球面中運(yùn)動(dòng)平面的高低演示乒乓球動(dòng)能的大小，通過觀察乒乓球的運(yùn)動(dòng)，詮釋電場的基本理論，詮釋現(xiàn)代技術(shù)中靜電加速器的基本原理。本儀器在中學(xué)、大學(xué)物理課堂上均可使用，且效果震撼，說服力強(qiáng)、印象深刻，填補(bǔ)了教學(xué)演示中的空白。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本實(shí)用新型的目的是提供一種體積小、攜帶方便、操作簡單，穩(wěn)定性好、趣味性強(qiáng)的靜電加速演示儀，可以在課堂上清晰、明了的演示靜電場對帶電粒子有力的作用，并可對其做功。
[0005]本實(shí)用新型提供的靜電加速演示儀，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，其由加速軌道1、被加速物體2、直流高壓電源3三部分組成。其中:
[0006]所述加速軌道結(jié)構(gòu)如圖2所示，包括絕緣底座4、絕緣半球形球面5、絕緣電極支架6和高壓電極四部分組成。其中，絕緣底座4采用硬質(zhì)絕緣材料，實(shí)心、空心均可。絕緣半球面5采用透明硬質(zhì)絕緣材料，其底部(即中心處)置于絕緣底座4上。絕緣電極支架6采用硬質(zhì)絕緣材料，由一根立柱(實(shí)心、空心均可)，及固定上、下兩端的各一塊圓板構(gòu)成(如圖4)，豎立于絕緣半球面內(nèi)中心處。高壓電極由多組導(dǎo)電膠帶并聯(lián)而成，其中，所有正極均勻粘貼在半球面上，從半球面上口沿徑向匯聚于半球面底部(如圖2)，所有負(fù)極起于半球面1/3處，沿徑向貼至半球面上口，經(jīng)懸空匯聚于電極支架6上端圓板，俯視看，所有正、負(fù)電極成均勻交錯(cuò)排列(如圖2、3所示)。
[0007]所述的被加速物體為金屬球或金屬球殼。具體可以采用噴有導(dǎo)電漆的乒乓球，作為導(dǎo)電的宏觀金屬球殼。
[0008]所述的直流高壓電源給高壓電極提供電源。
[0009]實(shí)驗(yàn)時(shí)，直流高壓電源給電極提供電荷，“金屬球殼”在電場力作用下奔向離得最近的電極(例如正極)，在電極處帶上與電極相同符號(hào)的電荷(+q)，同時(shí)，由于同號(hào)電荷相斥，異號(hào)電荷相吸以及慣性的作用，“金屬球殼”將加速奔向相鄰電極(負(fù)極)，在下一個(gè)電極處，“金屬球殼”上與該電極異號(hào)的電荷(+q)被中和掉，并重新帶上與該電極相同符號(hào)的電荷(_q)，同理，重新帶電后的“金屬球殼”又會(huì)奔向下一個(gè)相鄰電極(正極)，如此往復(fù)，“金屬球殼”將在電場力的作用下不斷被加速，從而動(dòng)能越來越大，宏觀表現(xiàn)是“金屬球殼”運(yùn)動(dòng)的軌道平面越來越高，動(dòng)能增量源于電場力做功。
[0010]本靜電加速演示儀用有形電極明確電場分布區(qū)域和方向，使實(shí)驗(yàn)容易理解。
[0011]本靜電加速演示儀用噴有導(dǎo)電漆的乒乓球代替微觀帶電粒子，使現(xiàn)象直觀可視。
[0012]本靜電加速演示儀用乒乓球在半球面中運(yùn)動(dòng)平面的高低演示乒乓球動(dòng)能的大小，使實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象生動(dòng)有趣，有說服力。
[0013]本靜電加速演示儀通過改變直流電壓的數(shù)值，可改變乒乓球所能達(dá)到的最高運(yùn)動(dòng)平面，說明“金屬球殼”運(yùn)動(dòng)的能量來源于靜電場力做功;通過改變帶電球體的質(zhì)量，可以改變球體圓周運(yùn)動(dòng)的周期，定性演示了做圓周運(yùn)動(dòng)物體運(yùn)動(dòng)周期與質(zhì)量有關(guān)。
【附圖說明】
[0014]圖1為本靜電演示儀結(jié)構(gòu)圖示。
[0015]圖2為加速軌道的結(jié)構(gòu)圖。
[0016]圖3為絕緣半球面的俯視圖。
[0017]圖4為絕緣支架的結(jié)構(gòu)圖
[0018]圖中標(biāo)號(hào):I為加速軌道，2為被加速物體，3為直流高壓電源，4為絕緣底座，5為絕緣半球面，6為絕緣支架，7為高壓電極的負(fù)極，8為高壓電極的正極。
【具體實(shí)施方式】
[0019]靜電加速演示儀結(jié)構(gòu)如圖1所示，其由加速軌道1、被加速物體2、直流高壓電源3三部分組成。其中
[0020]所述加速軌道構(gòu)成如圖2所示，包括絕緣底座4、絕緣半球形球面5、絕緣電極支架6和高壓電極7、8四部分組成。其中絕緣底座4作用是防止電極漏電，采用硬質(zhì)絕緣材料，粗細(xì)不限，實(shí)心、空心均可，高度在5cm以上即可。絕緣半球面5底部置于絕緣底座4上，提供電極安放場地和“金屬球殼”的運(yùn)動(dòng)場地，為方便從側(cè)面觀看實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，需采用透明硬質(zhì)絕緣材料，且尺寸太小不便觀察，太大不便攜帶，本裝置采用的是有機(jī)玻璃半球面，直徑50cm。絕緣電極支架6采用硬質(zhì)絕緣材料，由一根立柱(粗細(xì)不限，實(shí)心、空心均可)，上下各一塊圓板構(gòu)成(如圖4)，支架的作用在于分離正負(fù)電極，使之不易放電，支架豎立于絕緣半球面內(nèi)中心處。高壓電極由4組導(dǎo)電膠帶并聯(lián)而成，所有正極均勻粘貼在半球面上，并匯聚于半球面底部(如圖2);所有負(fù)極起于半球面下半部分，匯聚于導(dǎo)電支架上端，所有正、負(fù)電極均勻交錯(cuò)排列(如圖2、3所示)。
[0021 ]所述被加速的對象尺寸不能太小，否則帶電量少，現(xiàn)象不明顯，又不能太重，否則阻力大，故采用噴有導(dǎo)電漆的乒乓球，形成一個(gè)可以導(dǎo)電的宏觀“金屬球殼”。
[0022]所述電源采用直流高壓電源，需能提供3萬伏以上的直流電壓。
[0023]本實(shí)驗(yàn)通過直流高壓電源給電極提供電荷，“金屬球殼”在電場力作用下奔向離得最近的電極(例如正極)，在電極處帶上與電極相同符號(hào)的電荷(+q)，同時(shí)，由于同號(hào)電荷相斥，異號(hào)電荷相吸以及慣性的作用，“金屬球殼”將加速奔向相鄰電極(負(fù)極)，在下一個(gè)電極處，“金屬球殼”上與該電極異號(hào)的電荷(+q)被中和掉，并重新帶上與該電極相同符號(hào)的電荷(_q)，同理，重新帶電后的“金屬球殼”又會(huì)奔向下一個(gè)相鄰電極(正極)，如此往復(fù)，“金屬球殼”將在電場力的作用下不斷被加速，從而動(dòng)能越來越大，宏觀表現(xiàn)是“金屬球殼”運(yùn)動(dòng)的軌道平面越來越高，動(dòng)能增量源于電場力做功。
[0024]實(shí)驗(yàn)中，通過改變直流電壓的數(shù)值，可改變乒乓球所能達(dá)到的最高運(yùn)動(dòng)平面，說明“金屬球殼”運(yùn)動(dòng)的能量來源于靜電場力做功;通過改變帶電球體的質(zhì)量，可以改變球體圓周運(yùn)動(dòng)的周期，定性演示了做圓周運(yùn)動(dòng)物體運(yùn)動(dòng)周期與質(zhì)量有關(guān)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種靜電加速演示儀，其特征在于，由加速軌道、被加速物體、直流高壓電源組成;其中: 所述加速軌道包括絕緣底座、絕緣半球形球面、絕緣電極支架和高壓電極;其中，絕緣底座采用硬質(zhì)絕緣材料，絕緣半球面采用透明硬質(zhì)絕緣材料，絕緣半球面的底部位于絕緣底座上;絕緣電極支架采用硬質(zhì)絕緣材料，由一根立柱及固定于上、下兩端的各一塊圓板構(gòu)成，豎立于絕緣半球面內(nèi)中心處;高壓電極由多組導(dǎo)電膠帶并聯(lián)而成，其中，所有正極均勻粘貼在半球面上，從半球面上口沿徑向匯聚于半球面底部，所有負(fù)極起于半球面1/3處，沿徑向貼至半球面上口，經(jīng)懸空匯聚于電極支架上端圓板，俯視看，所有正、負(fù)電極成均勻交錯(cuò)排列； 所述被加速物體為金屬球或金屬球殼； 所述直流高壓電源給高壓電極提供電源。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的靜電加速演示儀，其特征在于，所述被加速物體為噴有導(dǎo)電漆的乒乓球，形成一個(gè)導(dǎo)電的宏觀金屬球殼。
【文檔編號(hào)】G09B23/18GK205541578SQ201620063292
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年1月22日
【發(fā)明人】呂景林, 楊凱鳴
【申請人】復(fù)旦大學(xué)