高中物理电场实验指导书

高中物理电场实验指导书一、实验目的1.认识电场的客观存在，理解电场线的概念及其物理意义。2.掌握用模拟法描绘几种典型静电场（如点电荷电场、等量异种点电荷电场、等量同种点电荷电场及平行板电容器电场）等势线的实验方法。3.学会根据等势线分布，画出相应电场线的分布，并分析电场强度的大小和方向特点。4.加深对电场强度、电势、等势面（线）等基本概念的理解，以及它们之间的关系。二、实验原理电场是一种客观存在的特殊物质，它对放入其中的电荷有力的作用。为了形象地描述电场，我们引入电场线和等势面（线）的概念。电场线是用来形象描述电场强弱和方向的假想曲线，曲线上每一点的切线方向表示该点的电场强度方向，电场线的疏密程度表示电场强度的大小。等势面（线）是电场中电势相等的点构成的面（线），在同一等势面（线）上移动电荷，电场力不做功。电场线与等势面（线）处处垂直，并且电场线总是由电势较高的等势面（线）指向电势较低的等势面（线）。直接描绘静电场的等势线和电场线是困难的，因为静电场中没有可以直接测量的电流。本实验采用模拟法，即利用稳恒电流场来模拟难以直接测量的静电场。理论和实践都已证明，在一定条件下，导电介质中稳恒电流的电流场与静电场具有相似的分布规律，它们都遵循高斯定理和环路定理。因此，我们可以用在导电介质中形成的稳恒电流场来模拟静电场，通过测量电流场中的等势线来间接描绘静电场的等势线和电场线。常用的模拟方法有两种：1.导电纸模拟法：将电极压在均匀的导电纸上，在电极间加上直流电压，导电纸上就形成了稳恒电流场。用探针找出导电纸上电势相等的点，连接这些点便得到等势线。2.（液体或空气）悬浮法：例如在蓖麻油（或其他绝缘液体）中撒入一些细小的导电粉末（如石墨粉）或轻质带电微粒（如头发屑、草籽等），将电极插入液体中并加上电压，微粒会在电场力作用下沿电场线排列，从而显示出电场线的分布。（注：此方法操作要求较高，且蓖麻油等处理不当易污染，高中实验中以导电纸模拟法更为常用和安全。）本指导书将重点介绍导电纸模拟法。三、实验器材1.低压直流电源（输出电压可调，如学生电源）2.电极组（如：两个圆形电极模拟等量异种或同种点电荷电场；两个平行条形电极模拟平行板电容器电场）3.导电纸（涂有导电物质的纸张，电阻均匀）4.坐标纸（用于记录等势点位置）5.木板或塑料板（作为固定导电纸、坐标纸的基板）6.灵敏电流计（或多用电表置于直流电流最小量程档或直流电压最小量程档）7.探针（两根，一端接灵敏电流计，用于探测等势点）8.导线若干9.开关10.铅笔、直尺、圆规、橡皮四、实验步骤（一）描绘等量异种点电荷的电场线1.安装与固定：*将木板（或塑料板）平放，在其上面依次铺放一层坐标纸、一层导电纸（导电面朝上！务必确认导电面，通常较暗或有光泽的一面为导电面）。用透明胶带将它们的边缘固定在木板上，确保三层（木板、坐标纸、导电纸）紧密贴合，导电纸无褶皱、无破损。2.放置电极：*将两个圆形电极（模拟点电荷）相距一定距离（例如几厘米，根据坐标纸大小和电极大小确定），平稳地压在导电纸中央区域。电极应与导电纸良好接触。用铅笔在坐标纸上轻轻标记出两个电极的圆心位置（这将作为后续画图的参考点）。3.连接电路：*用导线将低压直流电源的正、负极分别连接到两个圆形电极的接线柱上。*将灵敏电流计的两个接线柱分别连接到两根探针上。4.寻找等势点：*确定基准点：闭合开关，将电源电压调至适当值（例如几伏，具体数值由教师根据实际情况指定，电压不宜过高以免损坏电流计或烧毁导电纸）。将一根探针（称为“基准探针”）固定压在某个电极的圆心处（例如正极），此时该点电势最高（设为U₊）。将另一根探针（称为“探测探针”）在导电纸上缓慢移动，观察灵敏电流计的指针偏转。*寻找第一个等势点：将基准探针移至导电纸上某一方便操作且大致在两电极连线上或连线附近的点（不一定是电极），作为第一个基准等势点的参考。更规范的操作是：将基准探针压在导电纸上任意一点A，读出（或观察）电流计示数。然后在导电纸的另一区域移动探测探针，当电流计示数与A点相同时（对于电流计，指针偏转角度相同；对于电压档，示数相同），则探测探针所在点B与A点等势。*系统寻找等势点：为了描绘一条完整的等势线，通常从靠近一个电极的区域开始，逐步向另一电极区域过渡。*例如，先将基准探针压在靠近正电极附近的某一点P₁，然后在P₁点的周围（以P₁为中心，在不同方向上）移动探测探针，找到5-7个与P₁点等势的点，用铅笔通过探测探针在坐标纸上扎孔或直接标记出这些点的位置。这些点应大致均匀分布在一个闭合曲线（等势线）上。*改变基准探针的位置，使其处于比P₁点更靠近两电极中间区域的P₂点，重复上述操作，找出与P₂点等势的一系列点。*继续以上步骤，在两电极之间及周围区域，大致均匀地描绘出4-6条不同电势的等势线。注意，在两电极连线的中垂线上也应寻找等势点。5.描绘等势线：*断开开关。取下坐标纸（小心不要移动标记点）。*在坐标纸上，将每组等势点用平滑的曲线连接起来，这就是一条等势线。注明各条等势线的相对电势高低（例如，哪条靠近正电极，电势较高）。6.绘制电场线：*根据电场线与等势线处处垂直的性质，以及电场线由高电势指向低电势的规律，在已描绘出的等势线图上，画出若干条平滑的曲线作为电场线。电场线的疏密程度应能大致反映电场强度的大小（等势线密集处，电场线也应密集）。（二）描绘平行板电容器的电场线1.更换电极：将圆形电极更换为平行条形电极，使两电极的长边保持平行，相距一定距离。2.重复步骤：参照“描绘等量异种点电荷的电场线”中的步骤1-6进行操作。特别注意，平行板电容器的电场在极板中间区域是匀强电场，等势线应为平行于极板的直线，电场线应为垂直于极板的平行线。五、数据记录与处理1.数据记录：在坐标纸上直接记录各等势点的位置，并注明对应的基准点或相对电势顺序。2.数据处理：*用平滑曲线连接同一等势面上的点，得到清晰的等势线分布图。*根据等势线分布，画出相应的电场线。电场线应始于正电荷（或无穷远），终止于负电荷（或无穷远），不相交，不闭合。*对于平行板电容器电场，在极板中部区域，检查所画等势线是否大致平行，电场线是否大致与等势线垂直且平行等距，以验证匀强电场的特点。*对于等量异种点电荷电场，观察等势线的形状、对称性，以及电场线的分布特点（如两电荷连线中点附近电场线的疏密，中垂线上电场线的方向等）。六、注意事项1.安全第一：使用低压直流电源，电压不得超过规定值，防止触电。实验前检查电路连接无误后再闭合开关。2.导电纸处理：导电纸是实验成功的关键，要保持清洁、干燥，避免折叠、划伤。导电面务必朝上，并与电极保持良好接触。3.电极放置：电极应平稳放置，避免在实验过程中移动。标记电极位置要准确。4.探针使用：探测等势点时，探针应垂直压在导电纸上，用力要轻，避免戳破导电纸或移动坐标纸。两根探针不要同时在导电纸上拖动，以免磨损导电层。5.电流计保护：灵敏电流计指针偏转不宜过大，若指针偏转过大，应立即减小电源电压或移动探针。使用多用电表时，注意选择正确的档位和正负极性。6.等势点选取：同一等势线上的等势点应尽可能多取一些（5-7个以上），且分布在不同方向，这样画出的等势线才更平滑准确。7.环境因素：实验应在干燥环境下进行，避免潮湿影响导电纸性能。8.作图规范：用铅笔作图，等势线和电场线都应是平滑的曲线（或直线）。七、实验现象与分析1.等量异种点电荷电场：*等势线：以两个点电荷为中心的一簇不规则的闭合曲线。越靠近电荷，等势线越密集。两电荷连线的中垂线上各点电势相等（通常为零电势面，具体取决于电源接法）。*电场线：起始于正电荷，终止于负电荷。两电荷连线上电场线最密集，电场强度最大。中垂线上电场线方向垂直于中垂线。电场线与等势线处处垂直。2.等量同种点电荷电场：*等势线：同样是一簇闭合曲线，但在两电荷连线的中点处有一条垂直于连线的等势线（此处电场强度为零）。越靠近电荷，等势线越密集。*电场线：从正电荷出发（或终止于负电荷），呈排斥状。两电荷连线中点处无电场线通过。3.平行板电容器电场：*等势线：在两板中间区域，等势线是一系列与极板平行的直线。靠近极板边缘处，等势线会发生弯曲（边缘效应）。*电场线：在两板中间区域，电场线是一系列与极板垂直的平行线，表明该区域为匀强电场。靠近极板边缘处，电场线也会弯曲。通过对这些现象的观察和分析，可以加深对电场强度、电势、等势面等概念的理解，以及它们之间的关系。例如，电场线密集处等势线也密集，表明该处电场强度大，电势变化快。八、思考题1.本实验中，为什么可以用稳恒电流场来模拟静电场？它们之间有哪些相似性和不同点？2.实验中，如果电源电压增大一倍，描绘出的等势线和电场线的形状会发生变化吗？电场强度的大小会如何变化？3.在描绘等量异种点电荷的等势线时，为什么两电荷连线的中垂线上各点电势相等？4.如果导电纸的导电物质分布不均匀，会对实验结果产生什么影响？5.实验中，灵敏电流计的指针指零时，说明两探针接触点之间有什么关系？如果使用电压表代替电流计，应该如何操作来寻找等势点？九、实验总结与拓展本实验通过模拟法成功地描绘了几种典型静电场的等势线和电场线，使抽象的电场概念变得直观可感。模拟法是科学研究中一种重要的方法，当直接研究对象难以实现或观察时，可以借助与研究对象具有相似规律的模型进行研究。在实验操作中，细心和耐心是成