关于“静电场的模拟”的演示实验的小制作

张小建

在静电场描绘实验中，在精度要求不高的高中实验中常用恒定电流场模拟替代静电场，既可以消除测量仪器的探针引入静电场对原电场的分布的影响，又使描绘“静电场的等势线和电场线”简单易行。

1.实验原理

1.1静电场的描述

电场强度E是矢量，因此，研究电场往往是先研究电势的分布情况，因为电势是标量，所以可以先描绘出静电场的等势面，再根据电场线与等势面处处垂直且沿电场线方向电势逐渐降低的特点，作出电场线，整个电场的分布情况（即电场中各个位置的矢量E的大小和方向）就可以用几何图形直观地表示出来了。

1.2模拟法

根据数学推导可知，静电场和恒定电流场遵循的电势分布规律的数学形式相同，由于稳恒电流场和静电场具有这种等效性，因此要测绘静电场的分布，只要测绘相应的恒定电流场的分布就行了，所以可用电流场模拟静电场，这种模拟属于数学模拟，在这里，利用作几何图形来模拟测绘静电场的等势面和电场线。

1.3等势点的确定

当两点间电势相等时，连接该两点间的导线上无电流通过，若用灵敏电流表串联在两点之间，当调整到电流计示数为零时，则这两点间的电势相等。

2.实验器材

干电池4节，灵敏电流表，探针两只，导电纸，各种表面光滑的电极（如圆柱等），复写纸，白纸，

3.实验步骤

3.1实验电路的连接

（1）将导电纸的导电膜向上，下面依次垫复写纸、白纸，并用图钉固定在板上，

（2）用刻度尺在导电纸上画一条长为10cm的线段，在线段两端固定压紧两个圆形电极，将这两电极与6 V直流电源的输出端相连，如图1所示。

3.2电势基准点的确定及画出等势线和电场线

在两电极连线上取等间距的5个点作为基准点，并用探针把所选的点复印在底层的白纸上。

从灵敏电流计的两个接柱引出两个探针分别与导电纸上任意两个相邻的基准点接触，观察指针偏转情况，比较各点的电势高低，找出电势的变化规律，

用探针a与某基准点接触且固定不动，另一探针b在距这一基准点约1cm处选一点，将探针6左右移动，当发现电流计的指针不偏转时，即此点与基点等势，用同样的方法探测出关于基点对称的另外3个等势点，即可找出每个基准点的等势点5-7个。

注意：探测点不要靠近导电纸边缘，否则等势线畸变。

取出白纸，根据5组等势点画出5条平滑曲线即为等势线，再利用电场线与等势线始终垂直并指向电势低处的特点画出电场线。

4.实验创新

4.1定量描绘等势线

定量描绘等势线即能够标出各条等势线的电势，改进电路如图2所示，50Ω滑动变阻器分压，设电极B的电势为零，那么滑动头P置于某一位置时的电势ψ可由电压表V读出，当灵敏电流计G指示0刻度时，探针接触点的电势也就为ψ，调节P的位置，每隔1V测一条等势线，最后看出等势线越密的地方电场线也越密，在实际操作时要注意电场分布的对称性，这样容易找到等势点，

4.2改变电极

①将电极换成完全相同的细长金属条，压紧在导电纸上，然后在导电纸中央画一条水平基准线，等分基准线描出5个基准点，照实验步骤描出5条等势线，模拟匀强电场，

②将图1中的一个电极换成金属圆环，可以模拟点电荷的电场线。

5.结束语

电场是一种看不见摸不着的物质存在，学生没有直观的经验，电场的相关概念比较抽象，指导学生根据已学的物理概念、规律和基本的实验方法、技能来动手设计“静电场的模拟”的实验，不仅可以让学生“看见”电场，还可以提高学生的实验能力和增强学习兴趣。