模擬法描繪靜電場實驗的數(shù)據(jù)處理與分析

朱麗偉，邊宇卓

（齊齊哈爾工程學(xué)院大學(xué) 物理教研室，黑龍江 齊齊哈爾，161005）

1 描繪靜電場理論依據(jù)

直接測量電場線有以下困難：1.由于沒有通電回路，電流表、電壓表失去作用；2.測量探針等器件在工作時會引入新的電場，新電場的引入會使原有電場發(fā)生畸變，從而影響數(shù)據(jù)結(jié)果的準(zhǔn)確性。為了克服以上困難才采用電流場代替靜電場[1]。

模擬法的要求有：1.狀態(tài)或過程中有相對應(yīng)的兩組物理量；2.在兩種狀態(tài)或過程中的物理量滿足數(shù)學(xué)形式基本相同的方程和邊界條件[2]。本實驗就是利用模擬法，用容易測量的穩(wěn)恒電流場來替代不便測量的靜電場。根據(jù)模擬法的要求及理論依據(jù)，推導(dǎo)出在一定條件下物理量遵循物理規(guī)律[3]。

由表1可知，各物理量成對應(yīng)關(guān)系，滿足用電流場模擬描繪靜電場，電流場中有許多電位相等的點可描繪成等勢面，等勢面可變成等位線，根據(jù)電場線和等位線正交關(guān)系，即可畫出電場線，這就形象地表示出靜電場的分布。

表1 靜電場與穩(wěn)恒電流場物理方程

2 利用開放性實驗環(huán)境測電場線

2.1 開放性實驗環(huán)境

《靜電場描繪》實驗屬于驗證性實驗，需要學(xué)生掌握基本實驗技能和儀器操作；通過多次獨立完成實驗的鍛煉，逐步提高學(xué)生分析問題與解決問題的能力[4]。因此，筆者所在的學(xué)校創(chuàng)造了開放性實驗環(huán)境，供學(xué)生們參與實驗。

2.2 開放實驗操作流程

開放性實驗的操作流程采用線上課前預(yù)習(xí)——課中實驗操作和數(shù)據(jù)記錄——課后數(shù)據(jù)處理和實驗報告上交——教師批閱點評的評價體系。具體操作是：學(xué)生通過學(xué)校開放實驗系統(tǒng)預(yù)約平臺登錄，預(yù)約《靜電場描繪》實驗項目，提前保證了每人一套實驗的儀器，正式開課前，學(xué)生可通過平臺上傳預(yù)習(xí)報告并簽到，還可通過平臺觀看教師錄制的教學(xué)視頻，通過視頻的預(yù)習(xí)可考查學(xué)生對該實驗的理解情況，例如：考查學(xué)生對本次實驗涉及的物理概念和所使用的實驗器材是否了解；考查本實驗的實驗原理、實驗內(nèi)容和實驗步驟；通過考查結(jié)果測量學(xué)生是否可到實驗室進(jìn)行實驗操作。進(jìn)入實驗室后，按要求內(nèi)容操作，完成實驗數(shù)據(jù)的測量和記錄，完成實驗后將實驗儀器進(jìn)行規(guī)整，填寫實驗使用記錄，課后完成數(shù)據(jù)處理和思考題的回答，并在規(guī)定的時間內(nèi)上傳實驗報告于教學(xué)平臺，老師通過系統(tǒng)完成該學(xué)生的實驗報告批閱以及評語。

3 實驗過程及數(shù)據(jù)處理分析

3.1 實驗儀器

本實驗采用DC—A型描繪儀，該儀器由導(dǎo)電微晶、固定支架、同步探針等組成。

3.2 實驗過程

為了產(chǎn)生穩(wěn)恒電流場，在電極板正負(fù)端和電源的正負(fù)端分別插入紅黑接線柱。同步探針及電源輸出端相連接，調(diào)節(jié)最大穩(wěn)恒電壓值10V，探針在等量異號電荷電極板上移動，尋找電流場中電位相等的點，讓探針在兩極間慢慢移動，依次測出電壓分別為8.0V、6.0V、4.0V、2.0V的等勢線，每一條等勢線找8個測量點，描繪每條等位線上各測試點畫出等位線。隨后依據(jù)等位線與電場線正交的原理，在坐標(biāo)紙上畫出電場線，并標(biāo)明每一條等位線的電壓值。

3.3 數(shù)據(jù)處理

采用模擬方法探針在等量異號電極板上依次找出8V、6V、4V、2V各八個坐標(biāo)值。記錄各點在電極板的坐標(biāo)位置，如表2所示。

表2 等量異號電極板電勢坐標(biāo)

3.4 實驗結(jié)果分析

實驗所得等位線及電場線如圖1所示，其等位線是以中垂線為軸心的對稱分布曲線。電位大的等位線彎曲程度較大，彎曲方向與接近的電荷方向一致；電位小的等位線彎曲程度趨于直線因為電位值與中垂線的電位值接近。根據(jù)等位線確定正負(fù)電荷所在位置，正電荷在電位線大的外側(cè)，負(fù)電荷在等位線小的外側(cè)。依據(jù)電場線與等位線處處正交垂直關(guān)系，電場線是從正電荷出發(fā)，終止于負(fù)電荷的有方向的線。通過實驗結(jié)果得到的電場分布圖形與原理圖相似，可以證明穩(wěn)恒電流場是可以模擬靜電場的。

圖1 兩個帶電系統(tǒng)等位線與電場線實驗示意圖

4 結(jié)語

在開放實驗環(huán)境下，學(xué)生采用電流場模擬靜電場的方法驗證電場線與等位線關(guān)系，使難于觀察的實驗變得簡單。通過驗證該實驗掌握了理論課中關(guān)于電場線特點、電場線和等位線處處正交關(guān)系的知識點，加深了對理論知識的認(rèn)知與理解，同時培養(yǎng)了動手能力。