模拟法测绘静电场实验教案.docVIP

大学物理实验教案 周 次第 周，第 次课备注章 节名 称用模拟法测绘静电场授 课方 式理论课（）；实验课（√ ）；实习（ ）教学时数3学时教学目的及要求1、模拟法的物理思想和条件。2、测量稳恒电流场中电位分布的方法。3、模拟描绘同轴电缆电场，示波管聚焦电极电场。教学内容提要时间分配实验原理：1.静电场的基本性质静电场是由静止电荷激发的电场。电场的基本特性是对静止或运动的电荷有作用力，由于电是一种力场，场具有“能”与“力”的性质，因此其他带电粒子在具有电场的空间中将具有「势能」并受到一定的「作用力」。也就是我们所说的电势和电场强度。为形象地描述场强的分布，在电场中人为地画出一些有方向的曲线，曲线上一点的切线方向表示该点场强的方向，也是电势降低的方向。电场线的疏密程度与该处场强大小成正比。2．静电场不能直接测量的原因静电场可以用电场强度E或电势U的空间分布来描述，本实验讨论的静电场的描绘是探索它的电势U的空间分布，因为场强E是矢量，电势是标量，在测量上要简单一些。但是直接测量静电场中各点的电势也是很困难的，这是因为静电场中不会有电流，不能用直流电表直接测量，除非用静电式的仪表测量，但是用静电式的仪表测量就要用到金属做的探头，金属探头放到静电场中就会使原来的电场分布发生显著的变化，就算测量得到了数据也是不准确的。所以，通常用“模拟法”间接测量静电场的分布。3．模拟法的原理模拟法就是使用一种易于实现、便于测量的物理状态或过程模拟不易实现、不便测量的状态和过程，但是要求这两种状态或过程有一一对应的两组物理量，满足相同的物理或数学规律和边界条件。在相同的边界条件下，具有相似的解或表达式。模拟法在科学实验和其他领域中有广泛的应用。45分钟教学内容提要时间分配4．什么是稳恒电流场？为什么可以用稳恒场来模拟静电场？ 带电粒子的定向运动就叫做电流。描述电流场的物理量有场强和电流密度矢量，各点的电流密度都不随时间而变化的电流叫做稳恒电流。简单的说就是在稳恒电流的情况下，从闭合面流进去的电流强度必然等于从该闭合面流出去的电流强度。因此可以肯定，在稳恒电流场中，导体各处的电荷分布都不随时间而变。稳恒电流场与静电场是两种不同性质的场，但是它们在一定条件下具有相似的空间分布，即两种场遵守规律在形式上相似，都可以引入电位U ，电场强度E=－▽U，都遵守高斯定律和安培定律。静电场无源区域 稳恒电流场电流密度矢量在无源区域 和在各自区域中满足同样的数学规律。在相同边界条件下，具有相同的解析解。因此，我们可以用稳恒电流场来模拟静电场。6．模拟满足的三个条件模拟方法的使用有一定的条件和范围，不能随意推广，否则将会得到荒谬的结论。用稳恒电流场模拟静电场的条件可以归纳为下列三点： (1)稳恒电流场中的电极形状应与被模拟的静电场中的带电体几何形状相同； (2)稳恒电流场中的导电介质是不良导体且电导率分布均匀，并满足 (3)模拟所用电极系统与模拟电极系统的边界条件相同。7．电极类型（1）同轴圆柱面电极间的电流分布模拟真空中同轴电缆的静电场分布教学内容提要（2） 楔形电极（3） 聚集电极 （4） 两点电极教学重点与难点1、同轴电缆，两导体间电位差即2、对于示波管聚焦电极无法直接计算，用模拟法是非常快捷、方便的。3、先描电极形状及位置，找等势点，连等势线，电力线与等势线处处正交，方向由高电势指向低电势，作出电力线。内容与步骤4种电极任选两种进行静电场的模拟。将电流电压调到10V，将记录纸铺在上层平板上，从1V开始，平移同步探针，用导电微晶上方的探针找到等位点后，按一下记录纸上方的探针，测出一系列等位点，共测9条等位线，每条等势线上找8--10个的点，在电极端点附近应多找点几个等位点。画出等位线，再作出电场线，做电场线时要注意：电场线与等位线正交，导体表面是等位面，电场线垂直于导体表面，电场线发自正电荷而中止于负电荷，疏密要表示出场强的大小，根据电极正，负画出电场线方向。标明电极类型，做出电场线。50分钟教学手段讲解、学生讨论20分钟习题1．用电流场模拟静电场的理论依据和条件是什么？2．等势线和电力线之间有何关系？3．能否根据所描绘的等势线簇计算其中某点的电场强度？为什么？4．若将实验使用的电源电压加倍或减半，实验测得的等势线和电力线形状是否变化？电场强高和电位分布呢？5．从实验结果能否说明电极的电导率远大于导电介质的电导率？如不满足这条件会出线什么现象？