PAGE2PAGE1用恒定電流場模擬靜電場靜電場是由電荷分布決定的。帶電導(dǎo)體在空間形成的靜電場，對部分比較簡單的情況，可通過理論計算得到其電場分布。但對大多數(shù)情況都無法得到其數(shù)學(xué)表達(dá)式，也就不能求解出其電場分布。因此，為了解這些情況下的電場分布，通常借助實(shí)驗的方法來測定出其電場分布。由于直接測量靜電場是很困難的，所以實(shí)驗中采用間接的模擬法來進(jìn)行測量，用恒定電流場來模擬靜電場，即通過測繪恒定電流場的分布來描繪對應(yīng)的靜電場。教學(xué)目的1.學(xué)習(xí)用模擬法描繪和研究靜電場的分布。2.測繪同軸柱形電極和平行板電極間的電場分布。教學(xué)要求1.本實(shí)驗三小時完成。2.了解模擬法應(yīng)用的條件，加深對電場強(qiáng)度，電勢概念的理解。3.掌握水槽式靜電場模擬儀的使用方法。4.正確測繪出兩種電極狀況下的電場分布圖并學(xué)會用單對數(shù)坐標(biāo)紙作圖。5.對測量結(jié)果進(jìn)行評價，寫出合格的實(shí)驗報告。教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)1.模擬法應(yīng)用的條件和特點(diǎn)。2.描繪電場分布圖及用單對數(shù)坐標(biāo)紙作圖。講解內(nèi)容1.提問：本實(shí)驗對靜電場的測繪采用的是什么方法？為什么要用此方法？回答：采用的是模擬法測繪靜電場。因為直接測量靜電場的分布，需用探針對空間各點(diǎn)逐點(diǎn)進(jìn)行測量。當(dāng)把探針放入靜電場后，由于靜電感應(yīng)，探針上會產(chǎn)生感應(yīng)電荷，而形成一個新電場與原電場迭加，從而引起原電場的畸變。顯然直接測量不可行，所以采用模擬法來進(jìn)行測繪。2.提問：模擬法分為哪兩種模擬，其應(yīng)用的條件是什么？本實(shí)驗采用的是哪一種模擬？回答：模擬法分為物理模擬和數(shù)學(xué)模擬。物理模擬的應(yīng)用條件為物理相似和幾何相似，即模型和原型都遵從同樣的物理規(guī)律；模型的幾何尺寸與原型的幾何尺寸成比例的放大或縮小。數(shù)學(xué)模擬應(yīng)用的條件為模型與原型在物理實(shí)質(zhì)上可以完全不同，但它們都遵從相同的數(shù)學(xué)規(guī)律，即滿足相似的數(shù)學(xué)方程。用恒定電流場模擬靜電場采用的是數(shù)學(xué)模擬。3.提問：用恒定電流場模擬靜電場的理論依據(jù)是什么？回答：其理論依據(jù)是恒定電流場與靜電場滿足相同形式的數(shù)學(xué)方程（極間電勢及電場公式對比）。靜電場恒流場極間電壓U極間電場E極間電壓U’極間電場E’同軸柱形電極平行板電極顯然在兩種電極的情況下，U=U’E=E’。因此用恒定電流場模擬靜電場是完全可行的。4.提問：為什么不良導(dǎo)體內(nèi)的電場分布與真空中的靜電場分布相同？回答：因為在不良導(dǎo)體內(nèi)沒有電流通過時，其中任一宏觀體積元中的正負(fù)電荷數(shù)量相等，沒有凈電荷，呈電中性。當(dāng)有直流電流通過時，單位時間內(nèi)流出體積元的電荷被流入的同號電荷所代替，體積元內(nèi)正負(fù)電荷數(shù)量還是相等，因而整個體積內(nèi)呈電中性。換言之，真空中的靜電場是由電極上的電荷產(chǎn)生的，而在有恒定電流通過的不良導(dǎo)體中，電場也是由電極上的電荷產(chǎn)生的。不同的是靜電場中電極上的電荷靜止不動，而恒流場中電極上的電荷一邊流失，一邊由電源隨時補(bǔ)充，在動態(tài)平衡狀態(tài)下保持電荷的數(shù)量不變。所以，兩種狀況下電場的分布是相同的。5.提問：用恒定電流場模擬靜電場的實(shí)驗條件是什么？回答：實(shí)驗條件首先要求不良導(dǎo)體在兩極間區(qū)域內(nèi)其電導(dǎo)率是常數(shù)，并保持其厚度不變；其次要求測量電勢的儀表中基本上無電流通過。從本質(zhì)上講就是要保證測量時，恒定電流場的電位分布在極間區(qū)域內(nèi)和邊界上不會因測量操作而發(fā)生改變。6.提問：實(shí)驗中如何做測量點(diǎn)？回答：⑴同軸柱形電極沿半徑做測量點(diǎn)。首先沿與實(shí)驗者垂直的兩個半徑做測量點(diǎn)，沿半徑由高電勢向低電勢（由中心電極向外電極）依次做四個測量點(diǎn)；再反方向沿另一個半徑線做四個測量點(diǎn)；其次沿水平方向的兩個半徑做測量點(diǎn)，最后再做左斜和右斜的四個半徑線，其布局如同一個“米”形。這樣做測量點(diǎn)的優(yōu)點(diǎn)在于不會遺漏測量點(diǎn)，同時也可使同一條等勢線上的測量點(diǎn)均勻分布。做完所有等勢線上測量點(diǎn)后，還需沿外電極外沿做三個測量點(diǎn)，以確定電極的圓心。⑵平行板電極沿等勢線做測量點(diǎn)，由高電勢向低電勢依次做出等勢線。沿等勢線做測量點(diǎn)時，不可只局限于電極兩端之間的區(qū)域內(nèi)，一定要向外延伸擴(kuò)展。因為實(shí)驗中的平行板電極是有限長的，在電極兩端電場存在邊緣效應(yīng)，所以，在測量中沿等勢線先在中間做四個測量點(diǎn)，其次在電極兩端各做一個測量點(diǎn)，然后向兩端外延約1厘米再各做一個測量點(diǎn)，最后，再沿兩個電極板的四個角各做一個測量點(diǎn)，確定電極的位置。7.提問：如何繪制電場分布圖？回答：⑴同軸柱形電極：首先根據(jù)外電極外沿的三個測量點(diǎn)，用幾何作圖法確定圓心，由測出的半徑a、b，畫出完整的同軸柱形電極。由公式算出各等勢線的理論半徑值，按理論半徑值畫出等勢線。用同一種符號標(biāo)出同一等勢線上的八個測量點(diǎn)，并注明等勢線的量值。再依據(jù)電場線與等勢線處處正交的特性，畫出電場線，標(biāo)出其方向（由公式E=-dU/dr知，電場的方向是由高電勢指向低電勢）。因為在靜電平衡狀態(tài)下，導(dǎo)體內(nèi)部電場為零，電荷分布于導(dǎo)體表面。所以電場線始于中心電極的外表面，終止于外電極的內(nèi)表面。最后寫出圖名（同軸柱形電極電場分布圖）。⑵平行板電極根據(jù)確定電極位置的測量點(diǎn)畫出兩電極板，分別用光滑曲線連接同一電勢的八個測量點(diǎn)，畫出等勢線，用同一種符號將測量點(diǎn)標(biāo)出，并注明等勢線量值。與同軸電極一樣，畫出電場線及其方向。在畫電場線時，要特別注意靠近極板兩端電場的邊緣效應(yīng)。寫出圖名（平行板電極電場分布圖）。8.提問：如何為什么對柱形電極要用單對數(shù)坐標(biāo)紙作圖？怎樣用單對數(shù)坐標(biāo)紙作圖？回答：由極間電勢的公式知，僅僅只是坐標(biāo)r的函數(shù)，所以用單對數(shù)坐標(biāo)紙可以表現(xiàn)出與r的線性關(guān)系，且作圖比較便捷。單對數(shù)坐標(biāo)紙（又稱半對數(shù)坐標(biāo)紙）在制作時已將某個軸向取好對數(shù)，從坐標(biāo)紙上看刻度值，一個軸向是均勻分布，而另一個軸向則是對數(shù)分布。在做同軸柱形電極“～理論曲線”圖時，在坐標(biāo)紙上以均勻分布刻度