楊斌
【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?/p>
1.了解靜電場模擬的依據(jù);
2.學(xué)會(huì)用模擬法描繪靜電場;
3.測繪靜電場的等勢線、電場線;
4.用描跡法畫出等量異種電荷電場中平面上的等勢線。
【實(shí)驗(yàn)要求】
帶電體的周圍存在靜電場,靜電場的分布是由電荷的分布、帶電體的幾何形狀及周圍介質(zhì)所決定的。由于帶電體的形狀復(fù)雜,大多數(shù)情況求不出電場分布的解,因此只能靠數(shù)值解法求出或用實(shí)驗(yàn)方法測出電場分布。但是電場強(qiáng)度是矢量,而電勢是標(biāo)量,在測量
上要簡便些,并且恒定電流場與靜電場兩個(gè)場的物理量所遵從的物理規(guī)律具有相同的數(shù)學(xué)式,所以我們就想到用直接測量電勢來模擬電場的分布。而直接用電壓表法去測量靜電場的電勢分布往往是困難的,因?yàn)殪o電場中沒有電流,磁電式電表不會(huì)偏轉(zhuǎn);另外由于與儀器相接的探測頭本身總是導(dǎo)體或電介質(zhì),若將其放入靜電場中,探測頭上會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電荷。由于這些電荷又產(chǎn)生電場,與被測靜電場疊加起來,使被測電場產(chǎn)生顯著的變化。因而我們可以用恒定電流場來模擬靜電場,通過測量恒定電流場的電勢分布來求得靜電場分布。因此,實(shí)驗(yàn)時(shí)一般采用間接的測量方法(即模擬法)來解決。
【實(shí)驗(yàn)原理】
根據(jù)導(dǎo)電紙中恒定電流場與等量異種電荷的靜電場相似性,模擬等量異種電荷靜電場。將靈敏電流計(jì)兩探針放在有電流場的導(dǎo)電紙上不同位置時(shí),電流表指針若不偏轉(zhuǎn),表明場中這兩點(diǎn)電勢相等,確定電場中一系列等勢點(diǎn),描繪出等量異種電荷等勢線的形狀。通過本實(shí)驗(yàn)增強(qiáng)對靜電場的感性認(rèn)識(shí)。
【實(shí)驗(yàn)儀器】
低壓電源或電池組、靈敏電流計(jì)、開關(guān)、導(dǎo)電紙、白紙、復(fù)寫紙、圓柱形電極(兩個(gè))、探針(兩支)、絕緣木板、圖釘、導(dǎo)線若干。如圖1所示。
實(shí)驗(yàn)注意點(diǎn):低壓電源必須用直流擋;電極必須是圓柱形,否則在電極附近的電流場分布與點(diǎn)電何電場有很大差別。 【實(shí)驗(yàn)步驟】
1.依次將白紙、復(fù)寫紙、導(dǎo)電紙、兩圓柱形電極固定在絕緣板上,電極固定后與電源正、負(fù)極相連;再把兩探針分別接到靈敏電流計(jì)的“+”、“-”接線柱上。兩個(gè)電極間距約為10cm,電壓6V。
實(shí)驗(yàn)注意點(diǎn):鋪放紙的順序是白紙?jiān)谧钕旅?,再放?fù)寫紙,最上面是導(dǎo)電紙,導(dǎo)電紙黑色面(有導(dǎo)電物質(zhì))朝上;電極與導(dǎo)電紙要接觸良好。
2.選基準(zhǔn)點(diǎn):在兩電極的連線上等間距取五個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)用探針將他們復(fù)印在白紙上。
3.確定等勢點(diǎn):接通電源,將一探針壓在基準(zhǔn)點(diǎn)上,另一探針在兩電極連線一側(cè)距基準(zhǔn)點(diǎn)約1cm處移動(dòng),直至靈敏電流計(jì)指針不偏轉(zhuǎn)為止,這表明兩探針接觸點(diǎn)電勢相等,用探針將第一等勢點(diǎn)復(fù)印在白紙上。保持壓在基準(zhǔn)點(diǎn)的探針不動(dòng),將另一B,探針移至更遠(yuǎn)位置,離第一點(diǎn)距離也約為1cm處,確定第二個(gè)等勢點(diǎn);用同樣的方法在基準(zhǔn)點(diǎn)另一側(cè)確定兩個(gè)等勢點(diǎn)。
4.重復(fù)步驟(3),在其他基準(zhǔn)點(diǎn)的兩側(cè)各探測出四個(gè)等勢點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)注意點(diǎn):不要將探針同時(shí)與兩電極接觸,否則會(huì)燒壞電流計(jì)。找同一等勢點(diǎn)時(shí),壓在基準(zhǔn)點(diǎn)的探針要保持不動(dòng),否則易產(chǎn)生累積誤差。靈敏電流計(jì)的精度對誤差影響較大,盡量選擇量程小的靈敏電流計(jì)。
5.畫等勢線:斷開電源,取出白紙,由等勢點(diǎn)描繪出五條平滑的等勢線。
【課后思考】
問題討論:一個(gè)學(xué)生在做“對恒定電流場模擬靜電場的等勢線實(shí)驗(yàn)”時(shí),手頭沒有靈敏電流計(jì),能否用內(nèi)阻較大的電壓表代替?如果可以,應(yīng)該怎么操作?
能。將電壓表的一個(gè)探針接通某一電極,另一探針接觸一基準(zhǔn)點(diǎn),讀出基準(zhǔn)點(diǎn)的電壓值,用此探針在基準(zhǔn)點(diǎn)的一側(cè)約1cm處移動(dòng),找到與基準(zhǔn)點(diǎn)電壓示數(shù)相同的點(diǎn),即該基準(zhǔn)點(diǎn)的等勢點(diǎn)。以此類推,確定其他一系列等勢點(diǎn)。再根據(jù)等勢點(diǎn)畫出等勢線。如圖2所示。endprint