對恒定電流場模擬靜電場的等勢線實驗討論

楊斌

【實驗?zāi)康摹?/p>

1.了解靜電場模擬的依據(jù);

2.學(xué)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(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(biāo)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(xué)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(zhuǎn);另外由于與儀器相接的探測頭本身總是導(dǎo)體或電介質(zhì)，若將其放人靜電場中，探測頭上會產(chǎn)生感應(yīng)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(dǎo)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(dǎo)電紙上不同位置時，電流表指針若不偏轉(zhuǎn)，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(rèn)識.

【實驗儀器】

低壓電源或電池組、靈敏電流計、開關(guān)、導(dǎo)電紙、白紙、復(fù)寫紙、圓柱形電極（兩個）、探針（兩支）、絕緣木板、圖釘、導(dǎo)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荷電場有很大差別，

【實驗步驟】

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、負極相連;再把兩探針分別接到靈敏電流計的“+”、“一”接線柱上，兩個電極間距約為10 cm，電壓6 V.

實驗注意點：鋪放紙的順序是白紙在最下面，再放復(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：在兩電極的連線上等間距取五個基準(zhǔn)點a 、b、c、d、e，用探針將他們復(fù)印在白紙上.

3.確定等勢點：接通電源，將一探針壓在基準(zhǔn)點上，另一探針在兩電極連線一側(cè)距基準(zhǔn)點約1 cm處移動，直至靈敏電流計指針不偏轉(zhuǎn)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(fù)印在白紙上.保持壓在基準(zhǔn)點的探針不動，將另一探針移至更遠位置，離第一點距離也約為1 cm處，確定第二個等勢點;用同樣的方法在基準(zhǔn)點另一側(cè)確定兩個等勢點.

4.重復(fù)步驟（3），在其他基準(zhǔn)點的兩側(cè)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(zhǔn)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(xué)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(yīng)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(zhǔn)點，讀出基準(zhǔn)點的電壓值，用此探針在基準(zhǔn)點的一側(cè)約1cm處移動，找到與基準(zhǔn)點電壓示數(shù)相同的點，即該基準(zhǔn)點的等勢點.以此類推，確定其他一系列等勢點.再根據(jù)等勢點面出等勢線.如圖2所示.