楊斌
【實驗目的】
1.了解靜電場模擬的依據(jù);
2.學會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。
【實驗要求】
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所決定的。由于帶電體的形狀復雜,大多數(shù)情況求不出電場分布的解,因此只能靠數(shù)值解法求出或用實驗方法測出電場分布。但是電場強度是矢量,而電勢是標量,在測量
上要簡便些,并且恒定電流場與靜電場兩個場的物理量所遵從的物理規(guī)律具有相同的數(shù)學式,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,因為靜電場中沒有電流,磁電式電表不會偏轉;另外由于與儀器相接的探測頭本身總是導體或電介質,若將其放入靜電場中,探測頭上會產(chǎn)生感應電荷。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,實驗時一般采用間接的測量方法(即模擬法)來解決。
【實驗原理】
根據(jù)導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。將靈敏電流計兩探針放在有電流場的導電紙上不同位置時,電流表指針若不偏轉,表明場中這兩點電勢相等,確定電場中一系列等勢點,描繪出等量異種電荷等勢線的形狀。通過本實驗增強對靜電場的感性認識。
【實驗儀器】
低壓電源或電池組、靈敏電流計、開關、導電紙、白紙、復寫紙、圓柱形電極(兩個)、探針(兩支)、絕緣木板、圖釘、導線若干。如圖1所示。
實驗注意點: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電何電場有很大差別。 【實驗步驟】
1.依次將白紙、復寫紙、導電紙、兩圓柱形電極固定在絕緣板上,電極固定后與電源正、負極相連;再把兩探針分別接到靈敏電流計的“+”、“-”接線柱上。兩個電極間距約為10cm,電壓6V。
實驗注意點:鋪放紙的順序是白紙在最下面,再放復寫紙,最上面是導電紙,導電紙黑色面(有導電物質)朝上;電極與導電紙要接觸良好。
2.選基準點:在兩電極的連線上等間距取五個基準點用探針將他們復印在白紙上。
3.確定等勢點:接通電源,將一探針壓在基準點上,另一探針在兩電極連線一側距基準點約1cm處移動,直至靈敏電流計指針不偏轉為止,這表明兩探針接觸點電勢相等,用探針將第一等勢點復印在白紙上。保持壓在基準點的探針不動,將另一B,探針移至更遠位置,離第一點距離也約為1cm處,確定第二個等勢點;用同樣的方法在基準點另一側確定兩個等勢點。
4.重復步驟(3),在其他基準點的兩側各探測出四個等勢點。實驗注意點:不要將探針同時與兩電極接觸,否則會燒壞電流計。找同一等勢點時,壓在基準點的探針要保持不動,否則易產(chǎn)生累積誤差。靈敏電流計的精度對誤差影響較大,盡量選擇量程小的靈敏電流計。
5.畫等勢線:斷開電源,取出白紙,由等勢點描繪出五條平滑的等勢線。
【課后思考】
問題討論:一個學生在做“對恒定電流場模擬靜電場的等勢線實驗”時,手頭沒有靈敏電流計,能否用內(nèi)阻較大的電壓表代替?如果可以,應該怎么操作?
能。將電壓表的一個探針接通某一電極,另一探針接觸一基準點,讀出基準點的電壓值,用此探針在基準點的一側約1cm處移動,找到與基準點電壓示數(shù)相同的點,即該基準點的等勢點。以此類推,確定其他一系列等勢點。再根據(jù)等勢點畫出等勢線。如圖2所示。endprint