1、大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)一模擬靜電場【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹? .懂得模擬實(shí)驗(yàn)法的適用條件。對于給定的電極，能用模擬法求出其電場分布。加深對電場強(qiáng)度和電勢概念的理解【實(shí)驗(yàn)儀器】雙層靜電場測試儀、模擬裝置(同軸電纜和電子槍聚焦電極、JDY型靜電場描繪電源。實(shí)驗(yàn)原理【實(shí)驗(yàn)原理】1、靜電場的描述電場強(qiáng)度E是一個(gè)矢量。因此，在電場的計(jì)算或測試中往往是先研究電位的分布情況， 因?yàn)殡娢皇菢?biāo)量。我們可以先測得等位面，再根據(jù)電力線與等位面處處正交的特點(diǎn)，作出電 力線，整個(gè)電場的分布就可以用幾何圖形清楚地表示出來了。有了電位U值的分布，由E = -VU便可求出E的大小和方向，整個(gè)電場就算確定了。2、實(shí)驗(yàn)中的困難實(shí)驗(yàn)上想利用磁電式電壓表

2、直接測定靜電場的電位，是不可能的，因?yàn)槿魏未烹娛诫姳?都需要有電流通過才能偏轉(zhuǎn)，而靜電場是無電流的。再則任何磁電式電表的內(nèi)阻都遠(yuǎn)小于空 氣或真空的電阻，若在靜電場中引入電表，勢必使電場發(fā)生嚴(yán)重畸變；同時(shí)，電表或其它探 測器置于電場中，要引起靜電感應(yīng)，使原場源電荷的分布發(fā)生變化。人們在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，有 些測量在實(shí)際情況下難于進(jìn)行時(shí)，可以通過一定的方法，模擬實(shí)際情況而進(jìn)行測量，這種方 法稱為“模擬法”。3、模擬法理由兩場服從的規(guī)律的數(shù)學(xué)形式相同，如又滿足相同的邊界條件，則電場、電位分布完全相類 似，所以可用電流場模擬靜電場。這種模擬屬于數(shù)學(xué)模擬。靜電場（無電荷區(qū)）1 f D - dS = 0* f

3、E d = 0U =fE - dl、ab穩(wěn)恒電流場（無電流區(qū)）j=Ef j dS = 0f E dl = 0U =fE dl、ab4、討論同軸圓柱面的電場、電勢分布靜電場根據(jù)理論計(jì)算，A、B兩電極間半徑為r處的電場強(qiáng)度大小為TE =2雙r0A、B兩電極間任一半徑為r的柱面的電勢為bln ln a穩(wěn)恒電流場后，不良導(dǎo)體中就產(chǎn)生了從電極A均勻輻射狀地流向電在電極A、B間用均勻的不良導(dǎo)體(如導(dǎo)電紙、稀硫酸銅溶液或自來水等)連接或填充 時(shí)，接上電源(設(shè)輸出電壓為V。極B的電流。電流密度為r 礦J =P式中E為不良導(dǎo)體內(nèi)的電場強(qiáng)度P為不良導(dǎo)體的電阻率。半徑為r的圓柱面的電勢為bln ln a圖1、同軸圓

4、柱面的電場分布圖2、不良導(dǎo)體圓柱面電勢分布結(jié)論：穩(wěn)恒電流場與靜電場的電勢分布是相同的。由于穩(wěn)恒電流場和靜電場具有這種等效性， 因此要測繪靜電場的分布，只要測繪相應(yīng)的穩(wěn)恒電流場的分布就行了。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟1、測量無限長同軸圓柱間的電勢分布。在測試儀上層板上放定一張坐標(biāo)記錄紙，下層板上放置水槽式無限長同軸圓柱面 電場模擬電極。加自來水填充在電極間。接好電路。調(diào)節(jié)探針，使下探針浸入自來水中，觸及水槽底部，上探針與坐標(biāo)紙 有1-2mm的距離。接通電源，K2扳向“電壓輸出”位置。調(diào)節(jié)交流輸出電壓，使AB兩電極間的電 壓為交流12V，保持不變。移動(dòng)探針，在A電極附近找出電勢為10V的點(diǎn)，用上探針在坐標(biāo)紙上

5、扎孔為記。同理再在A周圍找出電勢為10V的等勢點(diǎn)7個(gè)，扎孔為記。移動(dòng)探針，在A電極周圍找出電勢分別為8V，6V，4V，2V的各8個(gè)等勢點(diǎn)(圓越 大，應(yīng)多找?guī)c(diǎn))，方法如步驟(4)。（6）分別用8個(gè)等勢點(diǎn)連成等勢線（應(yīng)是圓），確定圓心0的位置。量出各條等勢線的坐標(biāo)r （不一定都相等），并分別求其平均值。（7）用游標(biāo)卡尺分別測出電極A和B的直徑2a和2b。（8）計(jì)算各相應(yīng)坐標(biāo)r處的電勢的理論值V理，并與實(shí)驗(yàn)值比較，計(jì)算百分差。（9）根據(jù)等勢線與電力線相互正交的特點(diǎn)，在等勢線圖上添置電力線，成為一張完整 的兩無限長帶等量異號電荷同軸圓柱面的靜電場分布圖。（10）以lnr為橫坐標(biāo)，V實(shí)為縱坐標(biāo)，做V實(shí)

6、-lnr曲線，并與V理-lnr曲線比較2、測量聚焦電極的電勢分布（選做）分別測D 10.00V、9.00V、8.00V、7.00V、6.00V、5.00V、4.00V、3.00V、2 .00V、1.00V、 0.00V等，一般先測5 .00V的等位點(diǎn)，因?yàn)檫@是電極的對稱軸。步驟同上數(shù)據(jù)記錄模擬電場分布測試數(shù)據(jù)VA=10.00 0.01V2a=1.6240.002cm2b= _8.5800.002cmV理（V）8.006.004.003.002.001.00r(cm)1. 101. 502. 152.55?3. 58V理8. 176.314.143. 12?1.07實(shí)_-理 (%)V理2. 1%

7、4.9%3.4%3.8%?6.5%處理：1、用圓規(guī)和曲線板繪出園柱形同軸電纜電場等位線（注意電極的位置）.2、根據(jù)電力線垂直等位面,繪出電力線.貼圖1：同軸圓柱體貼圖2：聚焦電極3、在圓柱形電纜電場分布圖上量出各等位線的半徑，計(jì)算V并與理論值比較,求出其相對誤 差.rln（ -i）（1）二=1.10cm ；則匕=V = 8.17（V）；V - V-實(shí)_理 X100% =-2.2%V理(2)r = 1.50cm ；則 V = V = 6.31(V)；2 a ln(-) bE =匕-匕理 x 100% =-5.0% v V 理（3）要具體計(jì)算（4）要具體計(jì)算（5）要具體計(jì)算二、思考題：（選作2個(gè)）根據(jù)測繪所得電力線的分布，分析哪些地方場強(qiáng)較強(qiáng)，哪些地方場強(qiáng)較弱？從實(shí)驗(yàn)結(jié)果能否說明電極的電導(dǎo)率遠(yuǎn)大于導(dǎo)電介質(zhì)的電導(dǎo)率？如