對(duì)恒定電流場(chǎng)模擬靜電場(chǎng)的等勢(shì)線實(shí)驗(yàn)討論

楊斌

【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?/p>

1.了解靜電場(chǎng)模擬的依據(jù);

2.學(xué)會(huì)用模擬法描繪靜電場(chǎng);

3.測(cè)繪靜電場(chǎng)的等勢(shì)線、電場(chǎng)線;

4.用描跡法畫出等量異種電荷電場(chǎng)中平面上的等勢(shì)線.

【實(shí)驗(yàn)要求】

帶電體的周圍存在靜電場(chǎng)，靜電場(chǎng)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(chǎng)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(cè)出電場(chǎng)分布.但是電場(chǎng)強(qiáng)度是矢量，而電勢(shì)是標(biāo)量，在測(cè)量上要簡便些，并且恒定電流場(chǎng)與靜電場(chǎng)兩個(gè)場(chǎng)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(cè)量電勢(shì)來模擬電場(chǎng)的分布.而直接用電壓表法去測(cè)量靜電場(chǎng)的電勢(shì)分布往往是困難的，因?yàn)殪o電場(chǎng)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(cè)頭本身總是導(dǎo)體或電介質(zhì)，若將其放人靜電場(chǎng)中，探測(cè)頭上會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電荷.由于這些電荷又產(chǎn)生電場(chǎng)，與被測(cè)靜電場(chǎng)疊加起來，使被測(cè)電場(chǎng)產(chǎn)生顯著的變化，因而我們可以用恒定電流場(chǎng)來模擬靜電場(chǎng)，通過測(cè)量恒定電流場(chǎng)的電勢(shì)分布來求得靜電場(chǎng)分布.因此，實(shí)驗(yàn)時(shí)一般采用間接的測(cè)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(chǎng)與等量異種電荷的靜電場(chǎng)相似性，模擬等量異種電荷靜電場(chǎng)，將靈敏電流計(jì)兩探針放在有電流場(chǎng)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(chǎng)中這兩點(diǎn)電勢(shì)相等，確定電場(chǎng)中一系列等勢(shì)點(diǎn)，描繪出等量異種電荷等勢(shì)線的形狀.通過本實(shí)驗(yàn)增強(qiáng)對(duì)靜電場(chǎng)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(chǎng)分布與點(diǎn)電荷電場(chǎng)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“+”、“一”接線柱上，兩個(gè)電極間距約為10 cm，電壓6 V.

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)a 、b、c、d、e，用探針將他們復(fù)印在白紙上.

3.確定等勢(shì)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1 cm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(shì)相等，用探針將第一等勢(shì)點(diǎn)復(fù)印在白紙上.保持壓在基準(zhǔn)點(diǎn)的探針不動(dòng)，將另一探針移至更遠(yuǎn)位置，離第一點(diǎn)距離也約為1 cm處，確定第二個(gè)等勢(shì)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(shì)點(diǎn).

4.重復(fù)步驟（3），在其他基準(zhǔn)點(diǎn)的兩側(cè)各探測(cè)出四個(gè)等勢(shì)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(shì)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(duì)誤差影響較大，盡量選擇量程小的靈敏電流計(jì).

5.畫等勢(shì)線：斷開電源，取出白紙，由等勢(shì)點(diǎn)描繪出五條平滑的等勢(shì)線.

【課后思考】

問題討論：一個(gè)學(xué)生在做“對(duì)恒定電流場(chǎng)模擬靜電場(chǎng)的等勢(shì)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(shì)點(diǎn).以此類推，確定其他一系列等勢(shì)點(diǎn).再根據(jù)等勢(shì)點(diǎn)面出等勢(shì)線.如圖2所示.