可編輯可編輯------------------------------------------------------------------------------------------------------------------可編輯---------------------------------------------------------電磁場與電磁波實驗報告實驗項目：__靜電場物理模擬_____________________一、實驗?zāi)康囊罄斫馕锢砟M法的實驗原理和應(yīng)用條件。學(xué)習(xí)用物理模擬法研究靜電場。加深對靜電場場強(qiáng)和電位的理解。二、實驗內(nèi)容了解裝置電路及實驗原理。描繪矩形水槽薄水層中兩個點電極產(chǎn)生的二維靜電場。三、實驗儀器與軟件矩形水槽、坐標(biāo)紙兩張、穩(wěn)壓電源和電壓表，模擬電極、導(dǎo)線、固定支架。四、實驗原理理論上講，如果知道了電荷的分布，就可以確定靜電場的分布。電場既可以用電場強(qiáng)度（電力線）來描述，又可以用電勢U（等勢面、線）來描述。由于標(biāo)量的測量和計算比矢量簡便，因此，人們更愿意用電勢來描述電場。在給定條件下，確定系統(tǒng)靜電場分布的方法，一般有解析法﹑數(shù)值模擬法和物理模擬法。解析法只能求解一些簡單的問題；數(shù)值模擬法，也就是數(shù)值計算方法，它能解決一些復(fù)雜的問題，雖計算量很大，但在計算機(jī)的幫助下，目前已經(jīng)得到長足的發(fā)展，應(yīng)用很廣，數(shù)值模擬也有不足之處，對于一些形狀比較復(fù)雜的帶電體或電極周圍靜電場的分布，求解也非常困難。模擬法作為一種重要的實驗研究方法，它本質(zhì)上是用一種易于實現(xiàn)﹑便于測量的物理狀態(tài)或過程來模擬另一種不易實現(xiàn)﹑不便測量的物理狀態(tài)或過程。其條件是兩種狀態(tài)或過程有兩組一一對應(yīng)的物理量，并且滿足相同形式的數(shù)學(xué)規(guī)律。由于靜電場中不存在電流，一般磁電式儀表，在有電流時才會有反應(yīng)，因此難以確定靜電場的等勢線。由于在一定條件下電介質(zhì)中的穩(wěn)恒電流場與靜電場服從相同的數(shù)學(xué)規(guī)律，可以用恒定電流的電場模擬靜電場。如接到直流電源兩端的小圓柱形電極之間形成的恒定電場，可以用來模擬等量異種電荷之間的靜電場。靜電場與穩(wěn)恒電流場的對應(yīng)關(guān)系為靜電場穩(wěn)恒電流場導(dǎo)體上的電荷±Q電場強(qiáng)度介電常數(shù)極間電流±I電場強(qiáng)度電導(dǎo)率可編輯可編輯------------------------------------------------------------------------------------------------------------------可編輯---------------------------------------------------------電位移=無電荷區(qū)電位滿足電流密度=無源區(qū)電位滿足根據(jù)上表中的對應(yīng)關(guān)系可知，要想在實驗上用穩(wěn)恒電流場來模擬靜電場，需要滿足下面三個條件：⑴電極系統(tǒng)與導(dǎo)體幾何形狀相同或相似；⑵導(dǎo)電質(zhì)與電介質(zhì)分布規(guī)律相同或相似；⑶電極的電導(dǎo)率遠(yuǎn)大于導(dǎo)電質(zhì)的電導(dǎo)率，以保證電極表面為等勢面。實驗中確定等勢點的根據(jù)是：當(dāng)兩點電勢相等時，連接該兩點間的導(dǎo)線上無電流通過，否則將有電流從高電勢點流向低電勢點。五、實驗步驟將坐標(biāo)紙壓在盛有薄水層的透明水槽下面,如圖一所示；根據(jù)各組的情況，確定供電電極A（正極，電位為U0）,B（負(fù)極電位為零）的坐標(biāo)，然后按圖一的方式，接好電路。為了接觸良好，供電電極A,B也要固定好。電壓表的兩支表筆(紅表筆為M,黑表筆為N)用作探針，用于測量等位線。固定支架V固定支架V透明水槽透明水槽薄水層NBA薄水層NBAMM坐標(biāo)紙坐標(biāo)紙圖一、圖一、靜電場物理模擬實驗儀器接線圖3、測量AB之間的電壓U0=20V。測量以下電位的等值線：8V,10V,12V,14V,16V。4、黑表筆N極接B極，紅表筆M極輕輕在薄水層上滑動，當(dāng)電壓表的讀數(shù)為8V時,將紅表筆M極固定，并讀出水槽下面坐標(biāo)紙上的坐標(biāo),記錄在另一張坐標(biāo)紙上。5、再讓黑表筆N極輕輕在薄水層上滑動，當(dāng)電壓表的讀數(shù)為0時，每隔0.5~3cm的間距，讀出水槽下面坐標(biāo)紙上的坐標(biāo),并將這些點的位置標(biāo)在另一張坐標(biāo)紙上，就可記錄下8V的等位線。6、重復(fù)4-5的操作，記錄U1,U2,U3,……,Un=8V,10V,12V,14V,16V的等位線，直到全部測完?？删庉嬁删庉?-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------可編輯---------------------------------------------------------7、關(guān)閉電源，根據(jù)坐標(biāo)紙上的點用點劃線勾畫等值線圖。8、改變AB之間的電壓U0，重復(fù)4-7的操作，并觀察兩種情況下的電位分布是否一樣，分析其原因。數(shù)據(jù)記錄格式水槽的尺寸(cm)供電點的坐標(biāo)(cm)供電電壓U0(V)各等位線的電位(V)U1,U2,U3,……,Un長a寬b（xa，ya）（xb，yb）22.516.2（0，4）（0，-4）208V,10V,12V,14V,16V注意事項1．為保證模擬場準(zhǔn)確，水層必須薄，否則不能近似為二維問題。2．為避免接觸電阻對探測的影響，必須確保電極與水層接觸良好，且應(yīng)盡量與坐標(biāo)紙面垂直。3．等勢點間距離不要太大，一般在0.5～2cm左右，對于等位線曲率較大或靠近供電電極處應(yīng)多測一些等位點。六、結(jié)果分析問題討論用電流場模擬靜電場的理論依據(jù)是什么？答：由于在一定條件下電介質(zhì)中的穩(wěn)恒電流場與靜電場服從相同的數(shù)學(xué)規(guī)律，可以用恒定電流的電場模擬靜電場。分析影響探測結(jié)果的各種因素？答：供電電極沒有固定好；電壓表的兩支表筆沒有垂直插入水中，沒有垂直透過薄水層觀察坐標(biāo)紙坐標(biāo)；測量等位線時兩表筆之間電阻不正好為零，有測量誤差等。分析A、B極與水層之間的接觸電阻的變化對觀測結(jié)果的影響，如何避免？答：為避免接觸電阻對探測的影響，必須確保電極與水層接觸良好，且應(yīng)盡量與坐標(biāo)紙面垂直。如果要描繪12V的等位線，下面哪一種做法正確？并說明原因。

a.黑表筆N極接B極，紅表筆M極在水中輕輕滑動，當(dāng)電壓表的讀數(shù)為12時用力按一下，在坐標(biāo)紙上記錄該點的位置，并將紅表筆M極固定；再讓黑表筆N極輕輕在薄水層上滑動，當(dāng)電壓表的讀數(shù)為0時，每隔0.5~2cm的間距在坐標(biāo)紙上記錄這些點的位置，就可記錄下12V的等位線。

b.黑表筆N極始終接B極，讓紅表筆M極不斷地在水中輕輕滑動，只要電壓表的讀數(shù)為12時，每隔0.