一種描繪靜電場分布的實驗裝置

歐英雷

(廣東工貿職業技術學院電氣自動化系 廣東 廣州 510510)

1 引言

靜電場理論是物理教學過程中的重要組成部分，為了加深對靜電基本現象和基本規律的理解，弄清靜電場的分布特點，在教學過程中都要開設有關靜電場描繪方面的物理實驗，在課堂授課之中也需要把抽象的電場概念、電場產生和分布的情況，用簡單、直觀的方法向學生演示出來，讓學生能一目了然“看到”靜電場的真正面目.下面我們設計了兩套實驗裝置，分別用來描繪兩個異號靜點電荷產生的電場和金屬平行板電極產生的勻強電場，研究其平面上電場的電力線與等勢線的分布情況，從而，加深其對靜電場理論的理解.

2 實驗原理

2.1 實驗裝置的選型

圖1

選取一塊A3規格的硬塑料板作為襯底，在襯板上依次裝上用來記錄靜電場等電勢線和電力線分布的白紙、復寫紙和導電紙，如圖1所示.采用一臺10 V電壓的直流穩壓電源所產生的穩恒電場來模擬靜電場，然后，利用萬用電表的直流電壓檔和兩支表筆作為金屬探針，通過移動探針找出電勢差為零的點.再利用復寫紙就可以繪出各條等電勢線和等電勢線分別垂直的電力線.用這種方法可以分別繪出“靜點電荷”產生的電場的情況和“勻強電場”等電勢線及電力線的情況.

2.2 一對異號靜點電荷電場的描繪

實驗裝置如圖2(a)所示，先在襯板上分別放上用來進行記錄的白紙、復寫紙和導電紙，用兩個鱷魚頭小鐵夾子近似作為電源的兩個點電極並分別接在電源上，電源選取10 V的直流穩壓電源，兩個鱷魚頭小鐵夾子務必與導電紙保持良好接觸.如圖2(b)所示，利用萬用電表的直流電壓檔，把兩支表筆用作金屬探針，通過固定一支表筆，移動另一支表筆，找到萬用電表指針指零時表筆所在的位置.這時，按下一個記號，最后,將白紙上的點連成曲線，該曲線就是“一對異號靜點電荷”所產生電場的等電勢線，與各條電勢線分別垂直的就為電力線[1].

圖2

2.3 金屬平行板電場的描繪

至于描繪金屬平行板勻強電場等電勢線和電力線的情況，我們只要將兩個鱷魚頭小鐵夾子改為兩個大鐵夾子，也就是說，分別用兩個大鐵夾子來充當金屬平行板的兩塊金屬平行板電極.這時，所選的鐵夾子長度約為15～20 cm，導電紙的規格約20 cm*30 cm，其實驗裝置如圖3所示.

圖3

2.4 兩對異號靜點電荷和兩對金屬平行板電場的描繪

用類似的方法，可以描繪出兩對異號靜點電荷產生電場的分布情況，也可以描繪出兩對金屬平行板電極產生的電場等電勢線和電力線的分布情況，如圖4所示，是一種由兩對金屬平行板作為電極所產生的電場，利用測量任意二點間電勢差的方法，可以描繪出該電場中等電勢線和電力線的分布.至于兩對異號靜點電荷產生的電場分布情況，也可以參照上述方法測量出來.

圖4

3 結論

上述靜電場描繪裝置不但可以用來為學生開設有關靜電場研究的物理實驗，也可以作為教師講授靜電場理論課程時，向學生做現場的直觀演示，從而將抽象的理論課題用具體的形象方式顯現出來.同時,該裝置還可以進行多種組合，對較為復雜的靜電場的分布情況進行分析和描繪，模擬出復雜電場的分布規律.實驗證明，該靜電場實驗裝置，不但其實驗功能較強，而且實驗裝置比較直觀，並且簡單易懂、易做.同時，對于加深學生對電勢差概念的理解，對掌握“電壓”和“簡化直流電路(畫等效電路圖)”都有較大幫助.但也存在一些不足的地方，主要是實驗誤差容易偏大，畫出來的圖形不夠整齊等.

參考文獻

1 歐英雷.探究直流導體周圍磁場的變化.物理實驗，2011,31(11)：10