大学物理实验教案(用模拟法描绘静电场)

大学物理实验教案实验项目用模拟法描绘静电场

教学目的1. 学习用模拟法描绘静电场的原理和方法。

2. 加深对电场强度和电场线、电位等概念的理解。

3. 描绘同轴圆柱形电缆横截面的电场分布情况。

实验原理

模拟法要求不同的两种场遵循的物理规律形式应是相似的。这样，利用其相似性，可以对容易测量的场进行研究代替对不易测量的场的研究。由于稳恒电流的电场与电介质(或真空)中的静电场之间具有相似性，因此，欲测绘静电场，只要测绘相应的稳恒电流的电场就行了。与电介质(或真空)相对应，稳恒电流电场中的导电物质应是不良导体。本实验通过用导电玻璃为导电质的稳恒电流场的研究来了解电介质中静电场的情况。

同轴电缆如图1所示，内筒外半径为a、外筒内半径为b，设外筒和内筒单位长度带电量为-τ和+τ，电位分别为V b和V a，则两筒之间r处的

电场强度为

2

E

r

τ

πε

=。

图1

两筒之间的电位差为

00

ln

22

b b

a b

a a

b

V V Edr dr

r a

ττ

πεπε

-===

⎰⎰。

若外筒接地，V b=0，则

ln

2

a

b

V

a

τ

πε

=(1) 两筒之间任一点离轴心为r处的电位V r为

ln

2

r

a r

a

r

V V Edr

a

τ

πε

-==

⎰(2)

即

000

ln(ln ln)ln

222

r a

r b r b

V V

a a a r

τττ

πεπεπε

=-=-=(3)

将(3)式除以(1)式得

ln

ln r a b

V r b V a = (4) (4)式为两筒间的电位分布。

若用导电玻璃和电极模拟同轴电缆横截面的电场，其电路如图2所示。

图2

ln

ln (1)/ln ln r a a a r b V a r V V b b V a a =-= (5) (5)式和(4)式相同，这就说明了可以用直流电场来模拟静电场，其电位分布是相同的。同时由(5)式可以看出，由于V a 、a 、b 都是常数，所以V r 是r 的函数，即等电位线都是同心圆。

教学重点与难点 重点：用稳恒电流场模拟静电场的物理思想及其模拟条件。

难点：静电场的测绘方法。

实验内容提要 1. 准备一张白纸：折出八条对称辐射线； 2. 校正电源： 调节“电压-调节”旋钮到所需的工作电压10.00V ； 3. 在白纸上描出7.00V 、5.00V 、3.00V 和1.00V 的等位点，每

等位点不得少于8个点；

4. 据电力线与等位线相互垂直的特点，画出电力线。

测量与数据处理

要求 1. 每条等位线上的8个点，是否尽量均匀分布； 2. 不同的等位线，是否形成同心圆；

3. 电力线的始末端：是否从内电极指向外电极。

思考题1. 若将实验使用的电源电压加倍或减半，实验测得的等势线和电力线形状是否变化？

2. 测量电场产生畸变，试分析其原因。

参考资料《大学物理实验》——马靖马宋设施洋主编《大学物理实验指导》——丁道滢陈之前编《物理实验教程》——丁慎训张连芳主编《大学物理实验》——霍剑青吴泳华等主编

评分标准一、预习及操作评分：

预习部分：20分

操作：80分

1 . 实验时能否脱离讲义或稍看讲义，独立完成；

2.是否遵守操作规程，探针使用方法是否正确，实验中仪器操作是否熟练，完成实验所需是否较短；

3. 是否能主动排除故障，对发生的问题能进行正确的分析判断；

4. 读数(有效数字、单位)、记录是否正确。测得的数据与理论值是否较接近。

符合以下任一条，按不及格处理：

1. 违反操作规程, 而使仪器器件损坏；

2. 弄虚作假；

3. 在规定时间内未完成实验要求。

二、实验报告评分标准

1.预习部分（30分）

(1) 实验目的：5分

(2) 实验仪器：5分

(3) 实验原理：20分（包括文字，公式，图形）

2.作图（20分）

(1)等位线：10分

(2)电力线：10分（包括内外电极，方向，电力线始末）

3.数据处理（30分）：

内电极直径：2分；外电极直径：2分；

a

V：2分；

表格（共24分）：共8格，每格3分

4.回答问题（20分）：

最后一空：5分；其余5空：各3分