實(shí)驗(yàn)一靜電場(chǎng)的描繪

實(shí)驗(yàn)九 靜電場(chǎng)的描繪

實(shí)驗(yàn)性質(zhì)：綜合性實(shí)驗(yàn)

教學(xué)目的和要求：1、學(xué)習(xí)用模擬法研究靜電場(chǎng)。

2、描繪等勢(shì)線，繪畫電場(chǎng)線。

一．檢查學(xué)生的預(yù)習(xí)情況

檢查學(xué)生預(yù)習(xí)報(bào)告:內(nèi)容是否完整，表格是否正確。

二．實(shí)驗(yàn)儀器和用具：YJ—MJ—III模擬靜電場(chǎng)描繪儀（包括電源、點(diǎn)電極、激光探針、連接線等）。

三．講解實(shí)驗(yàn)原理：

1.靜電場(chǎng)的基本性質(zhì)

靜電場(chǎng)是由靜止電荷激發(fā)的電場(chǎng)。電場(chǎng)的基本特性是對(duì)靜止或運(yùn)動(dòng)的電荷有作用力，由于電是一種力場(chǎng)，場(chǎng)具有“能”與“力”的性質(zhì)，因此其他帶電粒子在具有電場(chǎng)的空間中將具有“勢(shì)能”并受到一定的“作用力”。也就是我們所說的電勢(shì)和電場(chǎng)強(qiáng)度。為形象地描述場(chǎng)強(qiáng)的分布，在電場(chǎng)中人為地畫出一些有方向的曲線，曲線上一點(diǎn)的切線方向表示該點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)的方向，也是電勢(shì)降低的方向。電場(chǎng)線的疏密程度與該處場(chǎng)強(qiáng)大小成正比。

2．靜電場(chǎng)不能直接測(cè)量的原因

靜電場(chǎng)可以用電場(chǎng)強(qiáng)度E或電勢(shì)U的空間分布來描述，本實(shí)驗(yàn)討論的靜電場(chǎng)的描繪是探索它的電勢(shì)U的空間分布，因?yàn)閳?chǎng)強(qiáng)E是矢量，電勢(shì)是標(biāo)量，在測(cè)量上要簡(jiǎn)單一些。但是直接測(cè)量靜電場(chǎng)中各點(diǎn)的電勢(shì)也是很困難的，這是因?yàn)殪o電場(chǎng)中不會(huì)有電流，不能用直流電表直接測(cè)量，除非用靜電式的儀表測(cè)量，但是用靜電式的儀表測(cè)量就要用到金屬做的探頭，金屬探頭放到靜電場(chǎng)中就會(huì)使原來的電場(chǎng)分布發(fā)生顯著的變化，就算測(cè)量得到了數(shù)據(jù)也是不準(zhǔn)確的。所以，通常用“模擬法”間接測(cè)量靜電場(chǎng)的分布。

3．模擬法的原理

模擬法就是使用一種易于實(shí)現(xiàn)、便于測(cè)量的物理狀態(tài)或過程模擬不易實(shí)現(xiàn)、不便測(cè)量的狀態(tài)和過程，但是要求這兩種狀態(tài)或過程有一一對(duì)應(yīng)的兩組物理量，滿足相同的物理或數(shù)學(xué)規(guī)律和邊界條件。在相同的邊界條件下，具有相似的解或表達(dá)式。模擬法在科學(xué)實(shí)驗(yàn)和其他領(lǐng)域中有廣泛的應(yīng)用。

4．什么是穩(wěn)恒電流場(chǎng)？為什么可以用穩(wěn)恒場(chǎng)來模擬靜電場(chǎng)？

帶電粒子的定向運(yùn)動(dòng)就叫做電流。描述電流場(chǎng)的物理量有場(chǎng)強(qiáng)和電流密度矢量，各點(diǎn)的電流密度都不隨時(shí)間而變化的電流叫做穩(wěn)恒電流。簡(jiǎn)單的說就是在穩(wěn)恒電流的情況下，從閉合面流進(jìn)去的電流強(qiáng)度必然等于從該閉合面流出去的電流強(qiáng)度。因此可以肯定，在穩(wěn)恒電流場(chǎng)中，導(dǎo)體各處的電荷分布都不隨時(shí)間而變。

穩(wěn)恒電流場(chǎng)與靜電場(chǎng)是兩種不同性質(zhì)的場(chǎng)，但是它們?cè)谝欢�條件下具有相似的空間分布，即兩種場(chǎng)遵守規(guī)律在形式上相似，都可以引入電位U ，電場(chǎng)強(qiáng)度E = －?U，都遵守高斯定律和安培定律。

?靜電場(chǎng)無源區(qū)域 穩(wěn)恒電流場(chǎng)電流密度矢量J在無源區(qū)域

?????E?ds??0J?ds?0???S?S

???????E?d??0?J?d??0???L?L

和在各自區(qū)域中滿足同樣的數(shù)學(xué)規(guī)律。在相同邊界條件下，具有相同的http://www.oriental01.com/news/557020C8F2983C86.html解析解。因此，我們可以用穩(wěn)恒電流場(chǎng)來模擬靜電場(chǎng)。

6．模擬滿足的三個(gè)條件

模擬方法的使用有一定的條件和范圍，不能隨意推廣，否則將會(huì)得到荒謬的結(jié)論。用穩(wěn)恒電流場(chǎng)模擬靜電場(chǎng)的條件可以歸納為下列三點(diǎn)：

(1)穩(wěn)恒電流場(chǎng)中的電極形狀應(yīng)與被模擬的靜電場(chǎng)中的帶電體幾何形狀相同；

(2)穩(wěn)恒電流場(chǎng)中的導(dǎo)電介質(zhì)是不良導(dǎo)體且電導(dǎo)率分布均勻，并滿足

(3)模擬所用電極系統(tǒng)與模擬電極系統(tǒng)的邊界條件相同。

四．演示實(shí)驗(yàn)，講解實(shí)驗(yàn)步驟：

1. 把儀器連接成電流場(chǎng)回路和測(cè)量回路，在有機(jī)玻璃平臺(tái)上鋪上描繪用坐標(biāo)紙，并用夾子夾穩(wěn)。

2. 激光探針放在電極上，調(diào)節(jié)“電壓調(diào)節(jié)”電位器，使YJ—MJ—III模擬靜電場(chǎng)描繪儀輸出電壓為10V。

3. 用激光探針在電極間探出電位相同的點(diǎn)且描下它們?cè)陔姌O坐標(biāo)系的位置，分別繪出1V、3V、5V、7V的等位線。

4. 根據(jù)等位線和電力線互相垂直的關(guān)系畫出各組電極的電場(chǎng)線。

5．得出結(jié)論。

強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)：

(1) 同一條等勢(shì)線上的點(diǎn)分布要均勻，

（2）等勢(shì)線的疏密要表示出場(chǎng)強(qiáng)的大小

五．模擬的靜電場(chǎng)圖：

六．結(jié)論：

七．指導(dǎo)學(xué)生做實(shí)驗(yàn)

在此期間注意觀察學(xué)生做實(shí)驗(yàn)并及時(shí)糾正學(xué)生錯(cuò)誤的或不當(dāng)?shù)膶?shí)驗(yàn)操作，運(yùn)用啟發(fā)式引導(dǎo)學(xué)生解決實(shí)驗(yàn)所遇到的疑問。

八．實(shí)驗(yàn)結(jié)果檢查

作出來的等勢(shì)線是不是一組同心圓？等勢(shì)線分布的疏密情況怎么樣？

九．作業(yè)：

1． 本次實(shí)驗(yàn)報(bào)告

2． 預(yù)習(xí)下次實(shí)驗(yàn)

十．課后總結(jié)與分析

學(xué)生對(duì)模擬法的物理思想和適用條件理解不深。

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