實驗探究勻強電場中的電勢

摘 要：在導電紙中通均勻直流電流模擬勻強電場，以一定距離選取基準點，用靈敏電流計尋找等勢點，進而描繪得到了等勢線。測量了相鄰等勢線間的電勢差，計算得出電勢差與間距的比值近似與理論數值相等。

關鍵詞：勻強電場；導電紙；電勢

勻強電場是高中物理一個極其重要的教學內容，是學生對電場分布、電場與電勢關系理解由淺入深的重要一步，且帶電粒子在勻強電場與磁場混合空間內的運動是高考考點之一。現實中盡管可以用直流電源給兩平行電極板充電，在兩平行極板間距非常小時，板間中央位置處電場可近似為勻強電場，但是很難用實驗方法測量該處的電場強度、方向及其他參數。由于電流方向與電場方向相同，電阻一定時，電勢又與電流強度成正比，電勢與距離的比值在數值上與電流相關。電流均勻地通過導電紙，與勻強電場性質有許多近似點，可認為電場均勻地分布在導電層上，從而模擬勻強電場。該法可以測量任意兩點間的電勢，同時根據電場方向跟等勢線垂直的特點得到勻強電場的性質。

一、實驗過程

實驗所需的儀器有：玻璃板或光滑薄木板、白紙、復寫紙、導電紙、兩尺長的鋁或銅薄片、自制電極、6V恒壓電源、靈敏電流計、兩個或更多接線柱（多個接線柱可用來固定導電紙）、電壓表外接兩個探針（或萬用表）等。實驗器材應滿足一定的條件，以符合測試要求。

1.實驗器材的選擇

本實驗中的導電紙應滿足一定的特點：紙質不能太硬，探針可以通過復寫紙在白紙上留下痕跡為宜；導電層均勻，滿足一定的導電性能且電阻率適中。電阻率過大，電壓表測電壓時會產生分流作用，使測量結果偏小；電阻率太小，實驗過程中不慎的話容易將靈敏電流計燒壞。可測量導電紙的電阻性能，裁取10cm×1cm的導電紙，然后將萬用表表筆的金屬端平壓到該樣紙的兩端測其電阻（如圖1）。一般該尺寸的導電紙電阻約為10kΩ，有的電阻率更大，為了改善導電紙的導電性能，可采用稀釋食鹽潤濕的方法。實驗應選用較大電壓的電源以及內阻較高的電壓表，同時在導電紙上選取的基準點間距不應過大。鋁或銅薄片與導電紙接觸面應非常光滑，邊沿應非常直，電壓表內阻應盡量大。

2.勻強電場的模擬方法

可利用電流均勻地通過導電紙模擬勻強電場，將導電紙導電面的兩端與金屬電極片緊密地接觸（如圖2），在兩金屬片上分別連接恒定電流源的兩極，導電紙的導電材料均勻度足夠好時，導電紙上各處的電流大小、方向都一致。

3.實驗步驟

在薄木板或玻璃板上逐層平鋪白紙、復寫紙和導電紙（導電面向上）。首先在導電紙上選取基準點，本實驗所用導電紙尺寸為20cm×13cm，金屬片寬度約為1.2cm。預留導電紙中間的18cm×13cm作為模擬區域，在平行于長邊方向上隔3cm取一個基準點，將基準點編號0～6號。將金屬片內側緊貼導電紙最外側兩個基準點垂直于長邊方向固定，然后將恒壓直流源兩極分別接到兩金屬片上。從基準點沿垂直于長邊方向尋找等勢點，找到等勢點用探針點壓。用電壓表分別測量相鄰基準點間的電壓并記錄數值（如果用萬用表測電壓，黑表筆在低電勢點，紅表筆在高電勢點），取下白紙，用平滑曲線連接等勢點即為等勢線。

4.實驗結果

實驗誤差不可避免，首先受導電紙的生產工藝影響，導電層不可能完全均勻；其次電壓表內阻不是無窮大，電壓表會產生分流作用使測量結果偏小；最后金屬片表面不是非常光滑，與導電層接觸不完全，甚至導電紙鋪得不平整等都可能產生誤差。

二、靜電屏蔽模擬

依靠導電紙可非常方便地模擬靜電屏蔽現象（如圖3），將鋁絲緊貼導電紙的導電層并形成閉合回路（注意鋁絲與兩電極片間保持一定的距離，防止短路）。將導電紙上的電極分別連接電源兩極，用電壓表的表筆測量閉合回路內以及鋁絲上任意兩點間的電壓，結果發現電壓表的度數為零。同時用電壓表測量回路外的電勢，發現外部的電流分布不再均勻。如果只是研究靜電屏蔽現象，就可以不接兩個金屬片，只接兩個電極，但是金屬回路對原導電紙中電場的影響不易觀測。

利用導電紙可以近似得到勻強電場，進而測量了解其特性以及電勢差等參數，測量發現結果略小于理論值，原因是電壓表的分流。等勢線方向垂直于導電紙的長邊方向，電場方向沿長邊方向。現實中的電場都是三維，而采用導電紙模擬法只能在平面內得到相關規律。

參考文獻：

鄭金.探究伏安法測量電路的誤差[J].湖南中學物理.

作者簡介：唐雅迪，女，就職學校：湖南省長沙市雅禮中學，研究方向：物理。