用模擬法測(cè)繪靜電場(chǎng)實(shí)驗(yàn)四大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)內(nèi)容實(shí)驗(yàn)意義實(shí)驗(yàn)儀器實(shí)驗(yàn)?zāi)康膶?shí)驗(yàn)操作實(shí)驗(yàn)原理實(shí)驗(yàn)報(bào)告一、實(shí)驗(yàn)意義在帶電物體周圍存在著電場(chǎng)，帶電體經(jīng)過場(chǎng)相互作用。知道場(chǎng)的分布，就可以計(jì)算出帶電體之間相互作用力的大小，并根據(jù)一定的初始條件求得帶電體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律或者形變的大小。因此，丈量電場(chǎng)有重要的物理意義。電場(chǎng)強(qiáng)度是用來描畫電場(chǎng)分布大小和方向的矢量，根據(jù)，可以經(jīng)過標(biāo)量電勢(shì)的分布，求得電強(qiáng)度的分布。對(duì)于較復(fù)雜的電場(chǎng)需求經(jīng)過實(shí)驗(yàn)來丈量電勢(shì)的分布。因此，等勢(shì)線的描畫是研討電場(chǎng)的根底。然而真正的靜電場(chǎng)不能用電表直接丈量。因此思索把帶電體放在導(dǎo)電介質(zhì)，維持帶電體間的電勢(shì)差不變。實(shí)際和實(shí)驗(yàn)都證明，導(dǎo)電介質(zhì)里由恒定電流產(chǎn)生的電場(chǎng)與靜電場(chǎng)的規(guī)律完全類似。因此可以用穩(wěn)恒電流場(chǎng)來模擬靜電場(chǎng)，這叫模擬法。二、實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹罴由顚?duì)電場(chǎng)強(qiáng)度和電勢(shì)概念的了解☆了解用模擬法測(cè)繪靜電場(chǎng)的原理和條件☆學(xué)會(huì)用模擬法測(cè)繪靜電場(chǎng)☆用穩(wěn)恒電流場(chǎng)模擬靜電場(chǎng)的原理在一定條件下穩(wěn)恒電流場(chǎng)與靜電場(chǎng)遵守規(guī)律在方式上類似。

靜電場(chǎng)：穩(wěn)恒電流場(chǎng)：三、實(shí)驗(yàn)原理靜電場(chǎng)與穩(wěn)恒電流場(chǎng)的類似性給人們一個(gè)啟示。如圖：相應(yīng)靜電場(chǎng)中P點(diǎn)的電勢(shì)U將和U’一樣。這表示經(jīng)過丈量穩(wěn)恒電流場(chǎng)的電勢(shì)分布可以了解相應(yīng)靜電場(chǎng)的電勢(shì)分布，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表示這樣模擬是恰當(dāng)?shù)?。U1U2·p(u)U1U2·p’(u)靜電場(chǎng)穩(wěn)恒電流場(chǎng)模擬法的運(yùn)用有一定的條件和范圍，不能隨意推行，否那么將會(huì)得到錯(cuò)誤甚至荒唐的結(jié)論。用穩(wěn)恒電流場(chǎng)模擬靜電場(chǎng)條件可以歸納為以下三點(diǎn)：〔1〕穩(wěn)恒電流場(chǎng)中的電極外形應(yīng)與被模擬的靜電場(chǎng)中的帶電體幾何外形一樣；〔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σ極>>σ介才干保證電流場(chǎng)中的電極〔良導(dǎo)體〕的外表也近似是一個(gè)等勢(shì)面；〔3〕模擬所用電極系統(tǒng)與被模擬電極系統(tǒng)的邊境條件一樣。圖3-3同軸電纜的模擬模型☆長(zhǎng)直同軸電纜的靜電場(chǎng)如圖3-3，設(shè)內(nèi)圓柱半徑為a，電勢(shì)為Ua；外環(huán)內(nèi)半徑為b，電勢(shì)為Ub，電場(chǎng)強(qiáng)度是用來描畫電場(chǎng)分布大小和方向的矢量，根據(jù)，可以經(jīng)過標(biāo)量電勢(shì)的分布，求得電強(qiáng)度的分布?！罴由顚?duì)電場(chǎng)強(qiáng)度和電勢(shì)概念的了解實(shí)驗(yàn)意義實(shí)驗(yàn)儀器總電阻為〔半徑a到b之間圓柱片的電阻〕設(shè)資料電阻率為，那么恣意半徑r到r+dr的圓周間的電阻是因此可以用穩(wěn)恒電流場(chǎng)來模擬靜電場(chǎng)，這叫模擬法。電極已直接制造在導(dǎo)電微晶上，并將電極引線接出到外接線柱上。測(cè)繪長(zhǎng)直同軸圓柱面的電場(chǎng)時(shí)測(cè)到的等勢(shì)線偏離圓形，能夠的緣由有：電極外形偏離圓形，導(dǎo)電介質(zhì)分布不均勻，丈量時(shí)的偶爾誤差等等。設(shè)Ub=0，那么兩圓柱面間所加電壓為Ua，徑向電流為〔1〕穩(wěn)恒電流場(chǎng)中的電極外形應(yīng)與被模擬的靜電場(chǎng)中的帶電體幾何外形一樣；那么靜電場(chǎng)中間隔軸心為r處的電勢(shì)Ur可表示為〔1〕根據(jù)等勢(shì)點(diǎn)位置，量得2V等勢(shì)線上等勢(shì)點(diǎn)到圓心的間隔r，求〔2〕測(cè)出a、b半徑的平均值。這表示經(jīng)過丈量穩(wěn)恒電流場(chǎng)的電勢(shì)分布可以了解相應(yīng)靜電場(chǎng)的電勢(shì)分布，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表示這樣模擬是恰當(dāng)?shù)?。?shí)驗(yàn)意義實(shí)驗(yàn)儀器那么靜電場(chǎng)中間隔軸心為r處的電勢(shì)Ur可表示為又根據(jù)高斯定理，電荷均勻分布的無限長(zhǎng)圓柱體的場(chǎng)強(qiáng)大小為由以上二式可得其中，由于r=b處，Ur=Ub，即☆同軸帶電圓柱體間的靜電場(chǎng)取Ua=U0，Ub=0，整理后得根據(jù)模擬原理，討論穩(wěn)恒電流場(chǎng)的分布〔如圖3-3〕。取厚度為t的圓柱形同軸不良導(dǎo)體片為研討對(duì)象。設(shè)資料電阻率為，那么恣意半徑r到r+dr的圓周間的電阻是那么半徑為r到b之間的圓柱片的電阻為總電阻為〔半徑a到b之間圓柱片的電阻〕設(shè)Ub=0，那么兩圓柱面間所加電壓為Ua，徑向電流為距軸線r處的電勢(shì)為

由以上分析可見，Ur與Ur，Er與Er的分布函數(shù)完全一樣。即長(zhǎng)直同軸電纜中的靜電場(chǎng)和穩(wěn)恒電流場(chǎng)有一樣的場(chǎng)分布?？芍谕S圓柱面之間建立一個(gè)靜電場(chǎng)或穩(wěn)恒電流場(chǎng)，假設(shè)柱面間靜電電勢(shì)差和直流電勢(shì)差一樣，那么在兩種場(chǎng)中對(duì)應(yīng)點(diǎn)有一樣的電勢(shì)。電場(chǎng)強(qiáng)度是用來描畫電場(chǎng)分布大小和方向的矢量，根據(jù)，可以經(jīng)過標(biāo)量電勢(shì)的分布，求得電強(qiáng)度的分布。⑴偏大，能夠緣由有電極直徑丈量偏大，外環(huán)電極外表有氧化層產(chǎn)生附加電阻，電壓標(biāo)示器件顯示偏大等；得平均半徑r測(cè)。這表示經(jīng)過丈量穩(wěn)恒電流場(chǎng)的電勢(shì)分布可以了解相應(yīng)靜電場(chǎng)的電勢(shì)分布，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表示這樣模擬是恰當(dāng)?shù)?。靜電場(chǎng)與穩(wěn)恒電流場(chǎng)的類似性給人們一個(gè)啟示。實(shí)驗(yàn)意義實(shí)驗(yàn)儀器用模擬法測(cè)繪靜電場(chǎng)3．從對(duì)長(zhǎng)直同軸圓柱面的等勢(shì)線的定量分析看，測(cè)得的等勢(shì)線半徑和實(shí)際值相比是偏大還是偏??？有哪些能夠的緣由導(dǎo)致這樣的結(jié)果？得平均半徑r測(cè)。由Δr=|r測(cè)—r理|，Δr/r理就是要〔1〕根據(jù)等勢(shì)點(diǎn)位置，量得2V等勢(shì)線上等勢(shì)點(diǎn)到圓心的間隔r，求取Ua=U0，Ub=0，整理后得知道場(chǎng)的分布，就可以計(jì)算出帶電體之間相互作用力的大小，并根據(jù)一定的初始條件求得帶電體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律或者形變的大小。由Δr=|r測(cè)—r理|，Δr/r理就是要電場(chǎng)強(qiáng)度是用來描畫電場(chǎng)分布大小和方向的矢量，根據(jù)，可以經(jīng)過標(biāo)量電勢(shì)的分布，求得電強(qiáng)度的分布。U2·p’(u)如何丈量該電場(chǎng)分布？有實(shí)際計(jì)算結(jié)果可知，長(zhǎng)直同軸電纜的電場(chǎng)是軸對(duì)稱的，電場(chǎng)分布和軸向坐標(biāo)Z沒有關(guān)系，因此，只需求丈量橫向切面上的電場(chǎng)分布，既二維電場(chǎng)分布。只需用良導(dǎo)體作為電極，在橫向切面充上電導(dǎo)率較小的均勻?qū)щ娊橘|(zhì)薄層，就可以模擬二維靜電場(chǎng)。本實(shí)驗(yàn)中以導(dǎo)電微晶作為導(dǎo)電介質(zhì)?！矊?shí)驗(yàn)儀器〕四、實(shí)驗(yàn)儀器GVZ—3型導(dǎo)電玻璃靜電場(chǎng)描畫儀〔包括導(dǎo)電微晶、穩(wěn)壓電源、同步探針等〕，如下圖，共四種穩(wěn)恒電場(chǎng)。電極已直接制造在導(dǎo)電微晶上，并將電極引線接出到外接線柱上。接通直流電源就可進(jìn)展實(shí)驗(yàn)〔10V〕。

五、實(shí)驗(yàn)操作將導(dǎo)電微晶上兩電極分別與穩(wěn)壓電源的正〔紅〕、負(fù)〔黑〕極相銜接，銜接同步探針。啟動(dòng)開關(guān)，將探針架探頭分別置于導(dǎo)電微晶內(nèi)外電極上，先校正，后丈量。1、描畫長(zhǎng)直同軸圓柱面的電勢(shì)及電場(chǎng)分布〔1〕取U0=10V，要求描畫2V，4V，6V，8V，4條等勢(shì)線，每條等勢(shì)線應(yīng)有8個(gè)等勢(shì)點(diǎn)銜接而成。〔本卷須知〕〔2〕用同樣的方法，丈量?jī)蓤A柱面的半徑a、b。2、測(cè)繪示波管電子槍的聚焦電場(chǎng)分布，要求畫出電極，然后繪出1V，3V，5V，7V，9V,共5條等勢(shì)線，每條有7個(gè)等勢(shì)點(diǎn)。(示波管電子槍電極)3、無限長(zhǎng)平行導(dǎo)線、劈尖電極和條形電極靜電場(chǎng)描畫作為選作內(nèi)容。××××示波管電子槍聚焦電場(chǎng)六、實(shí)驗(yàn)報(bào)告☆數(shù)據(jù)處置1、根據(jù)丈量結(jié)果分別測(cè)出各電場(chǎng)的各條等勢(shì)線，并由電場(chǎng)線與等勢(shì)線的關(guān)系畫出電場(chǎng)線。2、等量分析所測(cè)繪的長(zhǎng)直同軸圓柱面的等勢(shì)線的準(zhǔn)確程度?！?〕根據(jù)等勢(shì)點(diǎn)位置，量得2V等勢(shì)線上等勢(shì)點(diǎn)到圓心的間隔r，求得平均半徑r測(cè)?！?〕測(cè)出a、b半徑的平均值?！?〕求出2V等勢(shì)線半徑的實(shí)際值r理。由Δr=|r測(cè)—r理|，Δr/r理就是要求的丈量誤差。〔4〕把計(jì)算結(jié)果填入表格中。測(cè)試點(diǎn)電勢(shì)Ur(V)2468實(shí)踐丈量半徑r測(cè)實(shí)際計(jì)算半徑r理Δr=|r測(cè)-r理|Δr/r理☆思索題1、假設(shè)將實(shí)驗(yàn)中運(yùn)用的電源電壓加倍，等勢(shì)線、電場(chǎng)強(qiáng)度分布的外形能否會(huì)發(fā)生變化？為什么？2、在測(cè)繪長(zhǎng)直同軸圓柱面的電場(chǎng)時(shí)，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看，導(dǎo)電資料的電導(dǎo)率能否均勻？假設(shè)某一區(qū)域的電導(dǎo)率較高，對(duì)等勢(shì)線的外形有什么影響？3、從對(duì)長(zhǎng)直同軸圓柱面的等勢(shì)線的定量分析看，測(cè)得的等勢(shì)線半徑和實(shí)際值相比是偏大還是偏??？有哪些能夠的緣由導(dǎo)致這樣的結(jié)果？本卷須知丈量長(zhǎng)直同軸電纜電場(chǎng)分布的本卷須知：☆為了較準(zhǔn)確描畫等勢(shì)線的外形，所取等勢(shì)點(diǎn)應(yīng)該均勻分布?！顚?dǎo)電介質(zhì)不均勻，電極上氧化膜的存在、電極安裝偏離圓心等要素，會(huì)導(dǎo)致丈量結(jié)果與實(shí)際結(jié)果有差別，要照實(shí)記錄等勢(shì)點(diǎn)的位置?！钣捎陔姌O是等勢(shì)體，所以a是電勢(shì)為10V的等勢(shì)體的半徑，b是電勢(shì)為零的等勢(shì)體的內(nèi)半徑。丈量示波管電子槍的聚焦電場(chǎng)的本卷須知☆按1：1的比例畫出“T〞形電極?！钔粭l等勢(shì)線上各個(gè)點(diǎn)間隔1.5cm。以便較準(zhǔn)確的記錄等勢(shì)線的外形。

【分析討論題】1．假設(shè)電源電壓增大一倍，等勢(shì)線和電場(chǎng)線的外形能否發(fā)生變化？電場(chǎng)強(qiáng)度和電勢(shì)分布能否發(fā)生變化？為什么？假設(shè)電源電壓增大一倍，等勢(shì)線和電場(chǎng)線的外形沒有發(fā)生變化，但電場(chǎng)強(qiáng)度加強(qiáng)，電勢(shì)的分布更為密集。由于邊境條件和導(dǎo)電介質(zhì)都沒有變化，所以電場(chǎng)的空間分布外形就不會(huì)變化，等勢(shì)線和電場(chǎng)線的外形也就不會(huì)發(fā)生變化，但兩電極間的電勢(shì)差增大，等勢(shì)線的分布就更為密集，相應(yīng)的電場(chǎng)強(qiáng)度就會(huì)添加。2．在測(cè)繪長(zhǎng)直同軸圓柱面的電場(chǎng)時(shí)，什么要素會(huì)使等勢(shì)線偏離圓形？測(cè)繪長(zhǎng)直同