一种描绘静电场分布的实验装置

欧英雷

(广东工贸职业技术学院电气自动化系 广东 广州 510510)

1 引言

静电场理论是物理教学过程中的重要组成部分，为了加深对静电基本现象和基本规律的理解，弄清静电场的分布特点，在教学过程中都要开设有关静电场描绘方面的物理实验，在课堂授课之中也需要把抽象的电场概念、电场产生和分布的情况，用简单、直观的方法向学生演示出来，让学生能一目了然“看到”静电场的真正面目.下面我们设计了两套实验装置，分别用来描绘两个异号静点电荷产生的电场和金属平行板电极产生的匀强电场，研究其平面上电场的电力线与等势线的分布情况，从而，加深其对静电场理论的理解.

2 实验原理

2.1 实验装置的选型

图1

选取一块A3规格的硬塑料板作为衬底，在衬板上依次装上用来记录静电场等电势线和电力线分布的白纸、复写纸和导电纸，如图1所示.采用一台10 V电压的直流稳压电源所产生的稳恒电场来模拟静电场，然后，利用万用电表的直流电压档和两支表笔作为金属探针，通过移动探针找出电势差为零的点.再利用复写纸就可以绘出各条等电势线和等电势线分别垂直的电力线.用这种方法可以分别绘出“静点电荷”产生的电场的情况和“匀强电场”等电势线及电力线的情况.

2.2 一对异号静点电荷电场的描绘

实验装置如图2(a)所示，先在衬板上分别放上用来进行记录的白纸、复写纸和导电纸，用两个鳄鱼头小铁夹子近似作为电源的两个点电极並分别接在电源上，电源选取10 V的直流稳压电源，两个鳄鱼头小铁夹子务必与导电纸保持良好接触.如图2(b)所示，利用万用电表的直流电压档，把两支表笔用作金属探针，通过固定一支表笔，移动另一支表笔，找到万用电表指针指零时表笔所在的位置.这时，按下一个记号，最后,将白纸上的点连成曲线，该曲线就是“一对异号静点电荷”所产生电场的等电势线，与各条电势线分别垂直的就为电力线[1].

图2

2.3 金属平行板电场的描绘

至于描绘金属平行板匀强电场等电势线和电力线的情况，我们只要将两个鳄鱼头小铁夹子改为两个大铁夹子，也就是说，分别用两个大铁夹子来充当金属平行板的两块金属平行板电极.这时，所选的铁夹子长度约为15～20 cm，导电纸的规格约20 cm*30 cm，其实验装置如图3所示.

图3

2.4 两对异号静点电荷和两对金属平行板电场的描绘

用类似的方法，可以描绘出两对异号静点电荷产生电场的分布情况，也可以描绘出两对金属平行板电极产生的电场等电势线和电力线的分布情况，如图4所示，是一种由两对金属平行板作为电极所产生的电场，利用测量任意二点间电势差的方法，可以描绘出该电场中等电势线和电力线的分布.至于两对异号静点电荷产生的电场分布情况，也可以参照上述方法测量出来.

图4

3 结论

上述静电场描绘装置不但可以用来为学生开设有关静电场研究的物理实验，也可以作为教师讲授静电场理论课程时，向学生做现场的直观演示，从而将抽象的理论课题用具体的形象方式显现出来.同时,该装置还可以进行多种组合，对较为复杂的静电场的分布情况进行分析和描绘，模拟出复杂电场的分布规律.实验证明，该静电场实验装置，不但其实验功能较强，而且实验装置比较直观，並且简单易懂、易做.同时，对于加深学生对电势差概念的理解，对掌握“电压”和“简化直流电路(画等效电路图)”都有较大帮助.但也存在一些不足的地方，主要是实验误差容易偏大，画出来的图形不够整齐等.

参考文献

1 欧英雷.探究直流导体周围磁场的变化.物理实验，2011,31(11)：10