实验探究匀强电场中的电势

摘 要：在导电纸中通均匀直流电流模拟匀强电场，以一定距离选取基准点，用灵敏电流计寻找等势点，进而描绘得到了等势线。测量了相邻等势线间的电势差，计算得出电势差与间距的比值近似与理论数值相等。

关键词：匀强电场；导电纸；电势

匀强电场是高中物理一个极其重要的教学内容，是学生对电场分布、电场与电势关系理解由浅入深的重要一步，且带电粒子在匀强电场与磁场混合空间内的运动是高考考点之一。现实中尽管可以用直流电源给两平行电极板充电，在两平行极板间距非常小时，板间中央位置处电场可近似为匀强电场，但是很难用实验方法测量该处的电场强度、方向及其他参数。由于电流方向与电场方向相同，电阻一定时，电势又与电流强度成正比，电势与距离的比值在数值上与电流相关。电流均匀地通过导电纸，与匀强电场性质有许多近似点，可认为电场均匀地分布在导电层上，从而模拟匀强电场。该法可以测量任意两点间的电势，同时根据电场方向跟等势线垂直的特点得到匀强电场的性质。

一、实验过程

实验所需的仪器有：玻璃板或光滑薄木板、白纸、复写纸、导电纸、两尺长的铝或铜薄片、自制电极、6V恒压电源、灵敏电流计、两个或更多接线柱（多个接线柱可用来固定导电纸）、电压表外接两个探针（或万用表）等。实验器材应满足一定的条件，以符合测试要求。

1.实验器材的选择

本实验中的导电纸应满足一定的特点：纸质不能太硬，探针可以通过复写纸在白纸上留下痕迹为宜；导电层均匀，满足一定的导电性能且电阻率适中。电阻率过大，电压表测电压时会产生分流作用，使测量结果偏小；电阻率太小，实验过程中不慎的话容易将灵敏电流计烧坏。可测量导电纸的电阻性能，裁取10cm×1cm的导电纸，然后将万用表表笔的金属端平压到该样纸的两端测其电阻（如图1）。一般该尺寸的导电纸电阻约为10kΩ，有的电阻率更大，为了改善导电纸的导电性能，可采用稀释食盐润湿的方法。实验应选用较大电压的电源以及内阻较高的电压表，同时在导电纸上选取的基准点间距不应过大。铝或铜薄片与导电纸接触面应非常光滑，边沿应非常直，电压表内阻应尽量大。

2.匀强电场的模拟方法

可利用电流均匀地通过导电纸模拟匀强电场，将导电纸导电面的两端与金属电极片紧密地接触（如图2），在两金属片上分别连接恒定电流源的两极，导电纸的导电材料均匀度足够好时，导电纸上各处的电流大小、方向都一致。

3.实验步骤

在薄木板或玻璃板上逐层平铺白纸、复写纸和导电纸（导电面向上）。首先在导电纸上选取基准点，本实验所用导电纸尺寸为20cm×13cm，金属片宽度约为1.2cm。预留导电纸中间的18cm×13cm作为模拟区域，在平行于长边方向上隔3cm取一个基准点，将基准点编号0～6号。将金属片内侧紧贴导电纸最外侧两个基准点垂直于长边方向固定，然后将恒压直流源两极分别接到两金属片上。从基准点沿垂直于长边方向寻找等势点，找到等势点用探针点压。用电压表分别测量相邻基准点间的电压并记录数值（如果用万用表测电压，黑表笔在低电势点，红表笔在高电势点），取下白纸，用平滑曲线连接等势点即为等势线。

4.实验结果

实验误差不可避免，首先受导电纸的生产工艺影响，导电层不可能完全均匀；其次电压表内阻不是无穷大，电压表会产生分流作用使测量结果偏小；最后金属片表面不是非常光滑，与导电层接触不完全，甚至导电纸铺得不平整等都可能产生误差。

二、静电屏蔽模拟

依靠导电纸可非常方便地模拟静电屏蔽现象（如图3），将铝丝紧贴导电纸的导电层并形成闭合回路（注意铝丝与两电极片间保持一定的距离，防止短路）。将导电纸上的电极分别连接电源两极，用电压表的表笔测量闭合回路内以及铝丝上任意两点间的电压，结果发现电压表的度数为零。同时用电压表测量回路外的电势，发现外部的电流分布不再均匀。如果只是研究静电屏蔽现象，就可以不接两个金属片，只接两个电极，但是金属回路对原导电纸中电场的影响不易观测。

利用导电纸可以近似得到匀强电场，进而测量了解其特性以及电势差等参数，测量发现结果略小于理论值，原因是电压表的分流。等势线方向垂直于导电纸的长边方向，电场方向沿长边方向。现实中的电场都是三维，而采用导电纸模拟法只能在平面内得到相关规律。

参考文献：

郑金.探究伏安法测量电路的误差[J].湖南中学物理.

作者简介：唐雅迪，女，就职学校：湖南省长沙市雅礼中学，研究方向：物理。