關(guān)于“靜電場的模擬”的演示實(shí)驗(yàn)的小制作

張小建

在靜電場描繪實(shí)驗(yàn)中，在精度要求不高的高中實(shí)驗(yàn)中常用恒定電流場模擬替代靜電場，既可以消除測量儀器的探針引入靜電場對原電場的分布的影響，又使描繪“靜電場的等勢線和電場線”簡單易行。

1.實(shí)驗(yàn)原理

1.1靜電場的描述

電場強(qiáng)度E是矢量，因此，研究電場往往是先研究電勢的分布情況，因?yàn)殡妱菔菢?biāo)量，所以可以先描繪出靜電場的等勢面，再根據(jù)電場線與等勢面處處垂直且沿電場線方向電勢逐漸降低的特點(diǎn)，作出電場線，整個電場的分布情況（即電場中各個位置的矢量E的大小和方向）就可以用幾何圖形直觀地表示出來了。

1.2模擬法

根據(jù)數(shù)學(xué)推導(dǎo)可知，靜電場和恒定電流場遵循的電勢分布規(guī)律的數(shù)學(xué)形式相同，由于穩(wěn)恒電流場和靜電場具有這種等效性，因此要測繪靜電場的分布，只要測繪相應(yīng)的恒定電流場的分布就行了，所以可用電流場模擬靜電場，這種模擬屬于數(shù)學(xué)模擬，在這里，利用作幾何圖形來模擬測繪靜電場的等勢面和電場線。

1.3等勢點(diǎn)的確定

當(dāng)兩點(diǎn)間電勢相等時，連接該兩點(diǎn)間的導(dǎo)線上無電流通過，若用靈敏電流表串聯(lián)在兩點(diǎn)之間，當(dāng)調(diào)整到電流計(jì)示數(shù)為零時，則這兩點(diǎn)間的電勢相等。

2.實(shí)驗(yàn)器材

干電池4節(jié)，靈敏電流表，探針兩只，導(dǎo)電紙，各種表面光滑的電極（如圓柱等），復(fù)寫紙，白紙，

3.實(shí)驗(yàn)步驟

3.1實(shí)驗(yàn)電路的連接

（1）將導(dǎo)電紙的導(dǎo)電膜向上，下面依次墊復(fù)寫紙、白紙，并用圖釘固定在板上，

（2）用刻度尺在導(dǎo)電紙上畫一條長為10cm的線段，在線段兩端固定壓緊兩個圓形電極，將這兩電極與6 V直流電源的輸出端相連，如圖1所示。

3.2電勢基準(zhǔn)點(diǎn)的確定及畫出等勢線和電場線

在兩電極連線上取等間距的5個點(diǎn)作為基準(zhǔn)點(diǎn)，并用探針把所選的點(diǎn)復(fù)印在底層的白紙上。

從靈敏電流計(jì)的兩個接柱引出兩個探針分別與導(dǎo)電紙上任意兩個相鄰的基準(zhǔn)點(diǎn)接觸，觀察指針偏轉(zhuǎn)情況，比較各點(diǎn)的電勢高低，找出電勢的變化規(guī)律，

用探針a與某基準(zhǔn)點(diǎn)接觸且固定不動，另一探針b在距這一基準(zhǔn)點(diǎn)約1cm處選一點(diǎn)，將探針6左右移動，當(dāng)發(fā)現(xiàn)電流計(jì)的指針不偏轉(zhuǎn)時，即此點(diǎn)與基點(diǎn)等勢，用同樣的方法探測出關(guān)于基點(diǎn)對稱的另外3個等勢點(diǎn)，即可找出每個基準(zhǔn)點(diǎn)的等勢點(diǎn)5-7個。

注意：探測點(diǎn)不要靠近導(dǎo)電紙邊緣，否則等勢線畸變。

取出白紙，根據(jù)5組等勢點(diǎn)畫出5條平滑曲線即為等勢線，再利用電場線與等勢線始終垂直并指向電勢低處的特點(diǎn)畫出電場線。

4.實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新

4.1定量描繪等勢線

定量描繪等勢線即能夠標(biāo)出各條等勢線的電勢，改進(jìn)電路如圖2所示，50Ω滑動變阻器分壓，設(shè)電極B的電勢為零，那么滑動頭P置于某一位置時的電勢ψ可由電壓表V讀出，當(dāng)靈敏電流計(jì)G指示0刻度時，探針接觸點(diǎn)的電勢也就為ψ，調(diào)節(jié)P的位置，每隔1V測一條等勢線，最后看出等勢線越密的地方電場線也越密，在實(shí)際操作時要注意電場分布的對稱性，這樣容易找到等勢點(diǎn)，

4.2改變電極

①將電極換成完全相同的細(xì)長金屬條，壓緊在導(dǎo)電紙上，然后在導(dǎo)電紙中央畫一條水平基準(zhǔn)線，等分基準(zhǔn)線描出5個基準(zhǔn)點(diǎn)，照實(shí)驗(yàn)步驟描出5條等勢線，模擬勻強(qiáng)電場，

②將圖1中的一個電極換成金屬圓環(huán)，可以模擬點(diǎn)電荷的電場線。

5.結(jié)束語

電場是一種看不見摸不著的物質(zhì)存在，學(xué)生沒有直觀的經(jīng)驗(yàn)，電場的相關(guān)概念比較抽象，指導(dǎo)學(xué)生根據(jù)已學(xué)的物理概念、規(guī)律和基本的實(shí)驗(yàn)方法、技能來動手設(shè)計(jì)“靜電場的模擬”的實(shí)驗(yàn)，不僅可以讓學(xué)生“看見”電場，還可以提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰驮鰪?qiáng)學(xué)習(xí)興趣。