实验一 静电场的描绘 实验九 静电场的描绘 实验性质：综合性实验 教学目的和要求：1、学习用模拟法研究静电场。 2、描绘等势线，绘画电场线。 一．检查学生的预习情况 检查学生预习报告:内容是否完整，表格是否正确。 二．实验仪器和用具：YJ―MJ―III模拟静电场描绘仪（包括电源、点电极、激光探针、连接线等）。 三．讲解实验原理： 1.静电场的基本性质 静电场是由静止电荷激发的电场。电场的基本特性是对静止或运动的电荷有作用力，由于电是一种力场，场具有“能”与“力”的性质，因此其他带电粒子在具有电场的空间中将具有“势能”并受到一定的“作用力”。也就是我们所说的电势和电场强度。为形象地描述场强的分布，在电场中人为地画出一些有方向的曲线，曲线上一点的切线方向表示该点场强的方向，也是电势降低的方向。电场线的疏密程度与该处场强大小成正比。 2．静电场不能直接测量的原因 静电场可以用电场强度E或电势U的空间分布来描述，本实验讨论的静电场的描绘是探索它的电势U的空间分布，因为场强E是矢量，电势是标量，在测量上要简单一些。但是直接测量静电场中各点的电势也是很困难的，这是因为静电场中不会有电流，不能用直流电表直接测量，除非用静电式的仪表测量，但是用静电式的仪表测量就要用到金属做的探头，金属探头放到静电场中就会使原来的电场分布发生显著的变化，就算测量得到了数据也是不准确的。所以，通常用“模拟法”间接测量静电场的分布。 3．模拟法的原理 模拟法就是使用一种易于实现、便于测量的物理状态或过程模拟不易实现、不便测量的状态和过程，但是要求这两种状态或过程有一一对应的两组物理量，满足相同的物理或数学规律和边界条件。在相同的边界条件下，具有相似的解或表达式。模拟法在科学实验和其他领域中有广泛的应用。 4．什么是稳恒电流场？为什么可以用稳恒场来模拟静电场？ 带电粒子的定向运动就叫做电流。描述电流场的物理量有场强和电流密度矢量，各点的电流密度都不随时间而变化的电流叫做稳恒电流。简单的说就是在稳恒电流的情况下，从闭合面流进去的电流强度必然等于从该闭合面流出去的电流强度。因此可以肯定，在稳恒电流场中，导体各处的电荷分布都不随时间而变。 稳恒电流场与静电场是两种不同性质的场，但是它们在一定条件下具有相似的空间分布，即两种场遵守规律在形式上相似，都可以引入电位U ，电场强度E = －?U，都遵守高斯定律和安培定律。 ?静电场无源区域 稳恒电流场电流密度矢量J在无源区域 ?????E?ds??0J?ds?0???????S?S ????????E?d??0??J?d??0???L?L和在各自区域中满足同样的数学规律。在相同边界条件下，具有相同的解析解。因此，我们可以用稳恒电流场来模拟静电场。 6．模拟满足的三个条件 模拟方法的使用有一定的条件和范围，不能随意推广，否则将会得到荒谬的结论。用稳恒电流场模拟静电场的条件可以归纳为下列三点： (1)稳恒电流场中的电极形状应与被模拟的静电场中的带电体几何形状相同； (2)稳恒电流场中的导电介质是不良导体且电导率分布均匀，并满足(3)模拟所用电极系统与模拟电极系统的边界条件相同。 四．演示实验，讲解实验步骤： 1. 把仪器连接成电流场回路和测量回路，在有机玻璃平台上铺上描绘用坐标纸，并用夹子夹稳。 2. 激光探针放在电极上，调节“电压调节”电位器，使YJ―MJ―III模拟静电场描绘仪输出电压为10V。 3. 用激光探针在电极间探出电位相同的点且描下它们在电极坐标系的位置，分别绘出1V、3V、5V、7V的等位线。 4. 根据等位线和电力线互相垂直的关系画出各组电极的电场线。 5．得出结论。 强调实验注意事项： (1) 同一条等势线上的点分布要均匀， （2）等势线的疏密要表示出场强的大小 五．模拟的静电场图： 六．结论： 七．指导学生做实验 在此期间注意观察学生做实验并及时纠正学生错误的或不当的实验操作，运用启发式引导学生解决实验所遇到的疑问。 八．实验结果检查 本文来源：https://www.wddqw.com/doc/534815bb4ad7c1c708a1284ac850ad02df800758.html