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1、开尔文滴水起电机实验演示装置的制作 学 院 理学院 专 业 光信息科技 学生姓名 张一民，胡皓，顾锋 年级 2012 指导教师 无 提交日期 2014 年4 月 20 日摘要本文在开尔文滴水起电的原理上，研究如何使用简易的材料制作滴水起电装置，并且通过相关理论分析材料与实验方法使得装置更容易更成功地发生滴水起电现象。我们先详细介绍了实验的原理，再详细描述了我们的设计方案，最后通过缜密地论证了该设计方案的可行性。我们的工作使得教师们更容易向学生们演示开尔文滴水起电机的工作原理，使学生们对这一神奇的物理现象有更加全面深刻的理解，有效地提高教学水平。关键词：开尔文滴水起电机；可行性论证；教学Abst
2、ract In this paper, water dripping from the electric Kelvin principles on how to use simple materials dripping from the electrical device, and makes the device through the relevant theoretical analysis and experimental methods easier material dripping from the electrical phenomena occurring more suc
3、cessfully. We first introduced the principle of the experiment in detail, and then a detailed description of our design, and finally through careful to demonstrate the feasibility of the design. Our work makes it easier for teachers to demonstrate to students Kelvin dripping from the motor works, so
4、 that students have a more comprehensive and profound understanding of this mysterious physical phenomenon, effectively improve the teaching level.Keyword:Kelvin dripping from motor;The demonstration of feasibility;Teaching目录摘要2ABSTRACT3一、 实验原理5二、 设计方案62.1材料62.2制作方法6三、 可行性分析73.1前提73.2本实验的可行性分析73.3可行
5、性的判断8参考文献8一、实验原理装置的顶部是一个加有隔板的水槽，在水槽的底部两端分别连接有一条导管，从导管滴出的水滴通过下方的感应线圈中心落入底部的金属容器。由于宇宙射线和地下放射性物质的作用，使空气中的气体分子发生电离从而形成离子，它们不断地做不规则运动，撞击着金属盆，在金属盆上形成电势的涨落1。假设某一时刻金属容器G的电势高于金属容器H，那么与G相连（即在H上方）的线圈F的电势也高于与H相连的E（在G上方）线圈的电势。由于水中含有大量的正负离子，水滴与塑料管壁的摩擦导致微弱带电，再加上静电感应，C中滴下去的水滴会带正电，使得G中积累的正电荷越来越多。同理H也同样积累越来越多的负电荷。如此循
6、环下去，G和H就相当于形成了电源的正负极，并产生电势差。二、设计方案1. 材料：水槽一个，医用输液器两个，两个废旧易拉罐，隔板，导线若干条，胶带，玻璃板，泡沫板，干毛巾一条，支架。2. 制作方法（1） 贮水装置A：水槽可用适当大小的塑料碗或塑料盆替代，并用隔板限制水的流动；（2） 滴水装置B、C、D：截取有控制阀部分和尖嘴一端的适当长度的输液管（尽量短），将尖嘴一段插入水槽底部并导通，使两个插孔尽量处于中心对称的位置，将导管自然下垂；（3） 感应装置E、F：将2根导线绕制成两个线圈，用胶带固定住，并留出一截适当的长度伸到下方的易拉罐中；（4） 盛水装置G、H：将2个易拉罐去掉上底放置在泡沫板上
7、，并将整个装置放置在玻璃板上；干毛巾的作用：及时擦干溅出的水滴，保证绝缘性。 实验装置参考图（以实物为准）三、可行性分析1 前提 要使滴水起电机有良好的放电效果，必须解决好以下三个问题： 1）绝缘问题 为使滴水起电机明显起电，必须保证装置的绝缘性良好。而面临的绝缘问题主要有感应线圈和接水桶与地之间的漏电，感应线圈和接水桶与空气的离子交换，接水桶水面与空气的离子交换2。 2）尖端放电问题 在强电场作用下，物体表面曲率大的地方(如尖锐、细小物的顶端)，等电位面密，电场强度剧增，致使它附近的空气被电离而产生气体放电，从而产生尖端放电现象。在理想状态下，本实验中两个接水桶以及感应线圈之间的电位差可达到
8、几万伏，因而这两部分的边缘容易因为毛刺和尖端而放生尖端放电，从而影响电荷的积累，进而影响放电效果。 3）水滴速度的控制 下落的水滴如果太快而形成线流，接水桶间会建立电荷通路而引起中和；如果速度太慢，则下落的水滴会因间隙太大而减慢电荷的积累。2 实验的可行性分析 1）装置良好的绝缘性 先在绝缘底座上放有玻璃板和泡沫板，然后再在泡沫板上放上接水的金属桶，而且在实验过程中一旦有水溅出，马上用毛巾擦掉，这样就能最大限度地减少感应金属圆筒和接水桶与大地之间的漏电。而在接水桶中倒入适量的油，则可以减少接水桶的水面与周围空气的离子交换。而带有绝缘皮的导线和涂有不锈材料的金属筒表面则可以减少感应金属筒和接水桶
9、与空气的离子交换。 2）对尖端放电的的控制 选择用导线绕制成感应线圈而不是用金属圆筒可以最大限度的减少尖端的产生。而将导线放进接水桶中可以减少连接点，从而减少尖端放电。 3）水滴速度的控制 滴水管的胶管部分有控制阀，从而可将水流控制在即将形成线流的临界状态的速度。 4）其他优势 1.最上方的方形水槽中间有隔板分割，形成两个独立的区域，可避免水流运动造成正负离子的中和； 2.控制水流在感应线圈中心下落，可避免水滴因被吸引而与线圈接触造成水滴飞溅。3 可行性判断 经上述分析，本实验的放电效果良好，可行性很高。参考文献1.任晓南. 滴水起电机简易装置的制作与研究J. 物理教师, 2011, 32(6): 36-372.张仁彦, 邓意麒, 彭刚. 开尔文滴水起电机在潮湿环境下的实验研究J. 物理实验, 2011, 31(9): 37-40
