大学物理实验教案(用模拟法描绘静电场)

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大学物理实验教案

实验项目

教学目的

用模拟法描绘静电场

1. 学习用模拟法描绘静电场的原理和方法。 2. 加深对电场强度和电场线、电位等概念的理解。 3. 描绘同轴圆柱形电缆横截面的电场分布情况。

实验原理

模拟法要求不同的两种场遵循的物理规律形式应是相似的。这样，利用其相似性，可以对容易测量的场进行研究代替对不易测量的场的研究。由于稳恒电流的电场与电介质(或真空)中的静电场之间具有相似性，因此，欲测绘静电场，只要测绘相应的稳恒电流的电场就行了。与电介质(或真空)相对应，稳恒电流电场中的导电物质应是不良导体。本实验通过用导电玻璃为导电质的稳恒电流场的研究来了解电介质中静电场的情况。

同轴电缆如图1所示，内筒外半径为a、外筒内半径为b，设外筒和内筒单位长度带电量为-τ和+τ，电位分别为Vb和Va，则两筒之间r处的电场强度为E



。 20r



图1

两筒之间的电位差为

b

VaVbEdr

a



b

。 drln20r20aa

b

若外筒接地，Vb=0，则

Va

b

ln (1) 20a

两筒之间任一点离轴心为r处的电位Vr为

r

VaVrEdr

a



r

ln (2) 20a

即VrVa

rbrbln(lnln)ln (3) 20a20aa20r

1




将(3)式除以(1)式得

b

Vr (4) r=

bVa

lna

ln

(4)式为两筒间的电位分布。

若用导电玻璃和电极模拟同轴电缆横截面的电场，其电路如图2所示。



图2

rb

ln

Va)/V=r (5) r=Va(1-a

bbVa

lnlnaa

ln

(5)式和(4)式相同，这就说明了可以用直流电场来模拟静电场，其电位分

布是相同的。同时由(5)式可以看出，由于Va、a、b都是常数，所以Vr是r的函数，即等电位线都是同心圆。

教学重点与难点 重点：用稳恒电流场模拟静电场的物理思想及其模拟条件。

难点：静电场的测绘方法。

实验内容提要

1. 准备一张白纸：折出八条对称辐射线；

2. 校正电源： 调节“电压-调节”旋钮到所需的工作电压10.00V； 3. 在白纸上描出7.00V、5.00V、3.00V和1.00V的等位点，每等位点不得少于8个点；

4. 据电力线与等位线相互垂直的特点，画出电力线。

测量与数据处理

要求

1. 每条等位线上的8个点，是否尽量均匀分布； 2. 不同的等位线，是否形成同心圆；

3. 电力线的始末端：是否从内电极指向外电极。

2

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