三點式靜電場測試筆

張　巖，王素紅，張勝海，王　榮

(信息工程大學 理學院,河南 鄭州 450001)

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三點式靜電場測試筆

張巖，王素紅，張勝海，王榮

(信息工程大學 理學院,河南 鄭州 450001)

摘要：針對GVZ-4型導電微晶靜電場描繪儀測量精度差和實驗效率低的弊端，研制了三點式靜電場測試筆. 該三點為測試點、動定位點和靜定位點. 在導電微晶上進行測量時，將動定位點和靜定位點放于參考點，測試點測出電勢點位置后，這三點構成一個穩(wěn)定的三角形. 在沒有形變的情況下，將動、靜定位點放于紙上相應的參考點，測試點的位置隨之而定，該點就是等勢點. 利用三點式靜電場測試筆進行測量，不僅能提高測量精度和實驗效率，而且可以降低實驗成本及制造成本低.

關鍵詞：靜電場；三點式測試筆;測試點;動定位點;靜定位點

模擬法描繪靜電場是大學物理實驗的一個基礎性實驗. 該實驗根據(jù)靜電場和穩(wěn)恒電流場具有相同數(shù)學方程的特點，利用電流場的分布模擬靜電場的分布. 目前普通物理實驗中廣泛使用的靜電場描繪儀都存在著一些弊端[1-3]，本設計針對GVZ-4型導電微晶靜電場描繪儀測量精度差、效率低的弊端進行了改進，改進后的描繪儀在確保實驗高精度、高效率的同時，還降低了實驗成本.

1GVZ-4型導電微晶靜電場描繪儀的缺點

GVZ-4型導電微晶靜電場描繪儀(如圖1所示)是一種便攜式導電微晶靜電場描繪儀[4]，包括箱體、電控器和2塊導電微晶. 導電微晶上共有4種電極和2類平面坐標， 導電微晶上的平面坐標可以與坐標紙上的平面坐標完全重合.

圖1　GVZ-4型導電微晶靜電場描繪儀

實驗時，用單臂測試探針測量出等勢點C(或D)后，以電極A和B為參考點，通過數(shù)水平和豎直方向的坐標線條數(shù)確定其在導電微晶上的位置(如圖2所示)，然后在坐標紙上以相應的電極A和B為參考點，數(shù)出相同的坐標線條數(shù)確定其在坐標紙上的位置(如圖3所示)，從而得到1個等勢點.

圖3　在坐標紙上標示出等勢點

該過程存在以下問題：

1) 數(shù)坐標線條數(shù)確定等勢點位置，耗時長且容易數(shù)錯.

2) 數(shù)坐標線過程中，探針位置容易滑動，需重新尋找等勢點.

3) 當?shù)葎蔹c為D(非坐標線的交點)時，確定D點位置會有4次估讀誤差.

4) 長期使用，針頭與導電微晶相摩擦，損傷導電微晶，且使探針針頭變粗，引入測量誤差.

該描繪儀測量精度差和效率低的原因是由于單臂測試探針測出等勢點后，數(shù)坐標線條數(shù)確定其位置引起的. 為解決該問題，根據(jù)三角形3個頂點的相對位置不隨空間位置變化的特點，研制了三點式靜電場測試筆.

2三點式靜電場測試筆

2.1三點式靜電場測試筆的結構

如圖4所示，三點式靜電場測試筆[5]由絕緣底座、導線和測試筆3部分構成.

圖4　三點式靜電場測試筆

絕緣底座由直線導軌、靜定位點和動定位點構成，動定位點可沿直線導軌移動.

導線穿過金屬軟管，一端與測試筆連接，另一端穿過絕緣底座作為電控器連接線，兩端之間的導線套有金屬軟管，金屬軟管可自由彎曲.

測試筆末端為測試點，其材質為鉛芯，鉛芯較細，定位準確且使用過程中不會劃傷導電微晶. 鉛芯的長度可利用側壓鍵調整，且更換方便.

2.2三點式靜電場測試筆的工作原理

實驗時,將電控器連接線連接到電控器上，將靜定位點放置于電極A處，動定位點沿導軌移動到電極B處；在導電微晶上移動測試筆，用測試點找到等勢點，該等勢點與2個定位點構成穩(wěn)定的三角形. 根據(jù)幾何知識，當三角形沒有形變時，無論將其放置于何處，該三角形3個頂點的相對位置均不會發(fā)生變化. 因此，只要在坐標紙上將三點式測試筆的2個定位點放置于相應的參考點后，測試點在坐標紙上的位置就是該等勢點的位置，這種確定等勢點位置的方法稱為三點定位法.

2.3三點式靜電場測試筆的使用

以確定帶電長直導線電場為例(如圖5所示)，介紹該測試筆的使用方法.

圖5　帶電長直導線

1)電極A位于極心處，在任一極徑上任取一點為參考點B，根據(jù)A和B的位置，在極坐標紙上確定相應兩點A′和B′.

2)在導電微晶上，將靜定位點放于電極A處，動定位點放于參考點B處，拉動金屬軟管使測試點在導電微晶上滑動，尋找到等電勢點C，這3個點構成三角形.

3)不改變三角形的形狀，將其平移到坐標紙上，并將靜定位點放于A′處，動定位點放于B′處，則測試點在坐標紙上的位置就是等勢點C的位置，用鉛芯畫出此位置.

按照上述方法在坐標紙上確定若干等勢點后，連接起來就可得到等勢線，再根據(jù)電場線與等勢面處處正交的特點做出電場線，得到帶電長直導線電場情況的幾何分布(如圖6所示).

圖6　帶電長直導線電場分布圖

3三點式靜電場測試筆的優(yōu)點

三點式靜電場測試筆在導電微晶上測出等勢點后，利用三點定位法可以直接確定其在坐標紙上的位置，不僅提高了測量精度和實驗效率，而且還具有如下優(yōu)勢：

1) 利用該設計，可在任意紙上繪制出等勢曲線，無需專用的坐標紙，降低了實驗成本.

2) 無需在導電微晶上繪制坐標線，減少制造工藝，不僅能提高制造精度，也能降低制造成本.

3) 適用范圍廣，可描繪復雜形狀帶電體的電場分布. 利用三點式靜電場測試筆測量，無需事先知道帶電體的靜電場分布情況，因而可以繪制任意形狀帶電體的電場分布.

實踐表明，利用三點式靜電場測試筆描繪靜電場速度快、精度高、適用范圍廣、實驗成本低，為學生節(jié)省近3/4的時間，使學生在有限的時間內能從事更多的實驗探索，激發(fā)學生的學習興趣和熱情[6-8].

參考文獻：

[1]代偉. 靜電場描繪儀的改進[J]. 大學物理實驗,2011,24(3):42-44.

[2]徐榮,趙寶明. “模擬靜電場”實驗中描繪儀的改進[J]. 大學物理實驗,1997,10(4):38-39.

[3]黃小舟,張靈輝,溫建平,等. 導電微晶靜電場描繪儀的改進[J]. 廣西物理,2014,35(2):28-31.

[4]王素紅,張勝海,王榮. 大學物理實驗[M]. 北京:國防工業(yè)出版社,2014:48-51.

[5]張巖,王素紅,張勝海,等. 適用于導電微晶靜電場描繪儀的三點式靜電場測試筆[P]. 中國專利：ZL201521073487.2,2015-12-23.

[6]寇敏,姜偉. 趣味靜電實驗[J]. 物理實驗，2014,34(9):17-19.

[7]李燕妙,吳先球. 多功能摩擦力演示儀[J]. 物理實驗,2015,35(8):18-20.

[8]王鑫,楊胡江. 虛實結合的物理實驗教學研究與實踐[J]. 物理實驗,2015,35(10):15-18.

[責任編輯：尹冬梅]

Three-point electrostatic field test pen

ZHANG Yan, WANG Su-hong, ZHANG Sheng-hai, WANG Rong

(Institute of Science， The PLA Information Engineering University, Zhengzhou 450001, China)

Abstract:Low efficiency and low accuracy were caused by using the one arm test pen to depict the electrostatic field distribution. To solve the problem，a three-point test pen was developed. The three points were test point, fixed anchor point and removable anchor point. Using this three-point test pen to depict the electrostatic field distribution，a triangle was formed by the three points, when fixed anchor point was placed on the electrode A and removable anchor point was placed on the electrode B，the position of the equipotential points were located by the test point and depicted on the coordinate paper. The advantages of this three-point test pen were high efficiency, high precision, low cost and wide application.

Key words:electrostatic field; three point test pen； test point； fixed anchor point； removable anchor point

中圖分類號：O441.1

文獻標識碼：A

文章編號：1005-4642(2016)08-0019-03

作者簡介：張巖(1978-)，女，河南遂平人，信息工程大學理學院講師，碩士，主要從事物理實驗教學與科研工作.

收稿日期：2016-02-24