《可循環(huán)使用的等勢線探究儀》實驗教具研究

楊 利

(福建省泉州市第七中學(xué) 362000)

一、引言

高二文理分科后，進(jìn)入物理《選修3-1》的學(xué)習(xí).學(xué)生普遍反映很吃力，由高一的宏觀、可見的物體的運(yùn)動進(jìn)入微觀、抽象的帶電粒子在場中的運(yùn)動，學(xué)生一時難以適應(yīng).《電場》專題在全國高考物理考試大綱中有5個II級要求的考點，地位高，概念多且抽象，綜合性很強(qiáng).特別是在學(xué)習(xí)完電場強(qiáng)度、電場線等電場力的性質(zhì)后，學(xué)習(xí)等勢線、電勢差等電場能的概念，學(xué)生普遍感覺很抽象，無法想象各種電場的等勢線分布、電場強(qiáng)度和電勢差的關(guān)系等等，自然也就無法加以應(yīng)用.學(xué)生迫切提出需要通過做實驗來探究各種電場的等勢線分布圖.人教版有《用描跡法畫出電場中等勢線》的分組實驗，而魯科版的物理教材中沒有這個實驗.

二、對比人教版的《用描跡法畫出等量異種電荷的等勢線分布圖》

1.實驗裝置

圖1

在平整的木板上依次鋪放白紙、復(fù)寫紙、導(dǎo)電紙，在導(dǎo)電紙上放上跟導(dǎo)電紙接觸良好的電極，在兩個電極之間加上電壓，利用導(dǎo)電紙上形成的平面電流來模擬靜電場，如圖1.

2.實驗操作

在導(dǎo)電紙平面兩極的連線上先選取5個基準(zhǔn)點，利用靈敏電流表的探針在導(dǎo)電紙上移動，如果靈敏電流表沒有示數(shù)，說明探針接觸的兩點電勢相等；如果靈敏電流表有示數(shù)，則探針接觸的兩點電勢不相等，用這種方法在導(dǎo)電紙上找到與基準(zhǔn)點電勢相等的點，用探針在導(dǎo)電紙上用力往下按壓，通過復(fù)寫紙在白紙上留下點跡.做完實驗后，拆下電極，取出白紙，把電勢相等的連接，從而得到等勢線.

3.實驗存在的問題

(1)探針直接在導(dǎo)電紙上移動，容易刮花導(dǎo)電紙，導(dǎo)致導(dǎo)電物質(zhì)分布不均勻，作出的等勢線不準(zhǔn)確.(2)實驗完后要拆下電極，取出白紙，將電勢相等的點連接后，才可以看出等勢線的分布情況，實驗操作繁瑣，不直觀.(3)每做完一次實驗，要更換導(dǎo)電紙、白紙，效率低且浪費(fèi)材料.

三、自制的《可循環(huán)使用的等勢線探究儀》

1.實驗裝置

圖2

自制的教具《可循環(huán)使用的等勢線探究儀》，仍然采用恒定電流模擬靜電場，用軟磁板、小磁鐵代替白紙、復(fù)寫紙.以《探究等量異種點電荷電場的等勢線》為例：切割一塊32cm×26cm的有機(jī)玻璃板，截取一張30cm×21cm的軟磁板，取一張26cm×19cm的導(dǎo)電紙，從下往上依次排放有機(jī)玻璃板、軟磁板、導(dǎo)電紙，并在邊緣用有機(jī)玻璃板壓緊.取兩個直徑為1cm的圓形電極，焊接導(dǎo)線，包上銅片，兩個電極相距16cm.在兩電極間加上9V的直流電模擬等量異種電荷電場.將若干導(dǎo)電小磁鐵隨意放在兩極之間的導(dǎo)電紙上，如圖2.

若是《探究點電荷電場的等勢線分布》，則在圓心處固定一個直徑為1cm的金屬圓柱，外面套上一直徑18cm的金屬圓環(huán)作為另一電極，再接通電源.若金屬圓柱接正極，圓環(huán)接負(fù)極，則模擬正點電荷電場，反之，模擬負(fù)點電荷電場.

若是《探究勻強(qiáng)電場的等勢線分布》，則取兩條長20cm，寬1cm的銅片，把銅片用有機(jī)玻璃板壓緊在導(dǎo)電紙上兩側(cè)作為電極，再加上9V直流電，形成一勻強(qiáng)電場，如圖3.

2.實驗操作

用電壓表的探針接觸電極和小磁鐵，接觸電極的探針固定，另一端接觸散放在導(dǎo)電紙上的小磁鐵，測出電勢差，如果電勢差不一樣，移動小磁鐵的位置，直到測出相同的電勢差，則這些小磁鐵就處在電勢相同的點上，通過一定數(shù)量的小磁鐵的排列，就可以看出等勢線的分布情況了，如圖4.

3.實驗儀器的創(chuàng)新之處

該實驗儀器操作方便快捷，導(dǎo)電紙和小磁鐵可反復(fù)使用，每次實驗后無需更換；不需要用探針在導(dǎo)電紙上反復(fù)試探，不會影響導(dǎo)電物質(zhì)的分布，實驗結(jié)果更準(zhǔn)確；儀器功能更強(qiáng)大，可以探究各種電場的等勢線分布圖，還可以探究順電場線方向電勢的變化情況；電勢差、電場強(qiáng)度、距離三者的關(guān)系；勻強(qiáng)電場中任意平行的兩條相等直線電勢差相等；電場線和等勢線垂直等等.該儀器具有輕便、操作簡單、實驗現(xiàn)象明顯、成本低等特點，可讓學(xué)生反復(fù)使用.在實際教學(xué)中，頗受學(xué)生的歡迎.

4.實驗結(jié)論

圖3

圖4

圖5

勻強(qiáng)電場中任意平行的兩條相等直線電勢差相等

通過該實驗，可以幫助學(xué)生將抽象的物理規(guī)律變得形象、直觀，正確而深刻地理解物理知識.同時，學(xué)生在自主實驗探究的過程中還感受到學(xué)習(xí)的樂趣和成就感，掌握了科學(xué)探究的方法.