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實(shí)驗(yàn)一靜電場的描繪
實(shí)驗(yàn)九 靜電場的描繪
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。
2、描繪等勢線，繪畫電場線。
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.靜電場的基本性質(zhì)
靜電場是由靜止電荷激發(fā)的電場。電場的基本特性是對(duì)靜止或運(yùn)動(dòng)的電荷有作用力，由于電是一種力場，場具有“能”與“力”的性質(zhì)，因此其他帶電粒子在具有電場的空間中將具有“勢能”并受到一定的“作用力”。也就是我們所說的電勢和電場強(qiáng)度。為形象地描述場強(qiáng)的分布，在電場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)場強(qiáng)的方向，也是電勢降低的方向。電場線的疏密程度與該處場強(qiáng)大小成正比。
2．靜電場不能直接測量的原因
靜電場可以用電場強(qiáng)度E或電勢U的空間分布來描述，本實(shí)驗(yàn)討論的靜電場的描繪是探索它的電勢U的空間分布，因?yàn)閳鰪?qiáng)E是矢量，電勢是標(biāo)量，在測量上要簡單一些。但是直接測量靜電場中各點(diǎn)的電勢也是很困難的，這是因?yàn)殪o電場中不會(huì)有電流，不能用直流電表直接測量，除非用靜電式的儀表測量，但是用靜電式的儀表測量就要用到金屬做的探頭，金屬探頭放到靜電場中就會(huì)使原來的電場分布發(fā)生顯著的變化，就算測量得到了數(shù)據(jù)也是不準(zhǔn)確的。所以，通常用“模擬法”間接測量靜電場的分布。
3．模擬法的原理
模擬法就是使用一種易于實(shí)現(xiàn)、便于測量的物理狀態(tài)或過程模擬不易實(shí)現(xiàn)、不便測量的狀態(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？為什么可以用穩(wěn)恒場來模擬靜電場？
帶電粒子的定向運(yùn)動(dòng)就叫做電流。描述電流場的物理量有場強(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)恒電流場與靜電場是兩種不同性質(zhì)的場，但是它們?cè)谝欢l件下具有相似的空間分布，即兩種場遵守規(guī)律在形式上相似，都可以引入電位U ，電場強(qiáng)度E = －?U，都遵守高斯定律和安培定律。
?靜電場無源區(qū)域 穩(wěn)恒電流場電流密度矢量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.dameics.com/news/557020C8F2983C86.html解析解。因此，我們可以用穩(wěn)恒電流場來模擬靜電場。
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)恒電流場模擬靜電場的條件可以歸納為下列三點(diǎn)：
(1)穩(wěn)恒電流場中的電極形狀應(yīng)與被模擬的靜電場中的帶電體幾何形狀相同；
(2)穩(wěn)恒電流場中的導(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回路和測量回路，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) 同一條等勢線上的點(diǎn)分布要均勻，
（2）等勢線的疏密要表示出場強(qiáng)的大小
五．模擬的靜電場圖：
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
作出來的等勢線是不是一組同心圓？等勢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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