《可循环使用的等势线探究仪》实验教具研究

杨 利

(福建省泉州市第七中学 362000)

一、引言

高二文理分科后，进入物理《选修3-1》的学习.学生普遍反映很吃力，由高一的宏观、可见的物体的运动进入微观、抽象的带电粒子在场中的运动，学生一时难以适应.《电场》专题在全国高考物理考试大纲中有5个II级要求的考点，地位高，概念多且抽象，综合性很强.特别是在学习完电场强度、电场线等电场力的性质后，学习等势线、电势差等电场能的概念，学生普遍感觉很抽象，无法想象各种电场的等势线分布、电场强度和电势差的关系等等，自然也就无法加以应用.学生迫切提出需要通过做实验来探究各种电场的等势线分布图.人教版有《用描迹法画出电场中等势线》的分组实验，而鲁科版的物理教材中没有这个实验.

二、对比人教版的《用描迹法画出等量异种电荷的等势线分布图》

1.实验装置

图1

在平整的木板上依次铺放白纸、复写纸、导电纸，在导电纸上放上跟导电纸接触良好的电极，在两个电极之间加上电压，利用导电纸上形成的平面电流来模拟静电场，如图1.

2.实验操作

在导电纸平面两极的连线上先选取5个基准点，利用灵敏电流表的探针在导电纸上移动，如果灵敏电流表没有示数，说明探针接触的两点电势相等；如果灵敏电流表有示数，则探针接触的两点电势不相等，用这种方法在导电纸上找到与基准点电势相等的点，用探针在导电纸上用力往下按压，通过复写纸在白纸上留下点迹.做完实验后，拆下电极，取出白纸，把电势相等的连接，从而得到等势线.

3.实验存在的问题

(1)探针直接在导电纸上移动，容易刮花导电纸，导致导电物质分布不均匀，作出的等势线不准确.(2)实验完后要拆下电极，取出白纸，将电势相等的点连接后，才可以看出等势线的分布情况，实验操作繁琐，不直观.(3)每做完一次实验，要更换导电纸、白纸，效率低且浪费材料.

三、自制的《可循环使用的等势线探究仪》

1.实验装置

图2

自制的教具《可循环使用的等势线探究仪》，仍然采用恒定电流模拟静电场，用软磁板、小磁铁代替白纸、复写纸.以《探究等量异种点电荷电场的等势线》为例：切割一块32cm×26cm的有机玻璃板，截取一张30cm×21cm的软磁板，取一张26cm×19cm的导电纸，从下往上依次排放有机玻璃板、软磁板、导电纸，并在边缘用有机玻璃板压紧.取两个直径为1cm的圆形电极，焊接导线，包上铜片，两个电极相距16cm.在两电极间加上9V的直流电模拟等量异种电荷电场.将若干导电小磁铁随意放在两极之间的导电纸上，如图2.

若是《探究点电荷电场的等势线分布》，则在圆心处固定一个直径为1cm的金属圆柱，外面套上一直径18cm的金属圆环作为另一电极，再接通电源.若金属圆柱接正极，圆环接负极，则模拟正点电荷电场，反之，模拟负点电荷电场.

若是《探究匀强电场的等势线分布》，则取两条长20cm，宽1cm的铜片，把铜片用有机玻璃板压紧在导电纸上两侧作为电极，再加上9V直流电，形成一匀强电场，如图3.

2.实验操作

用电压表的探针接触电极和小磁铁，接触电极的探针固定，另一端接触散放在导电纸上的小磁铁，测出电势差，如果电势差不一样，移动小磁铁的位置，直到测出相同的电势差，则这些小磁铁就处在电势相同的点上，通过一定数量的小磁铁的排列，就可以看出等势线的分布情况了，如图4.

3.实验仪器的创新之处

该实验仪器操作方便快捷，导电纸和小磁铁可反复使用，每次实验后无需更换；不需要用探针在导电纸上反复试探，不会影响导电物质的分布，实验结果更准确；仪器功能更强大，可以探究各种电场的等势线分布图，还可以探究顺电场线方向电势的变化情况；电势差、电场强度、距离三者的关系；匀强电场中任意平行的两条相等直线电势差相等；电场线和等势线垂直等等.该仪器具有轻便、操作简单、实验现象明显、成本低等特点，可让学生反复使用.在实际教学中，颇受学生的欢迎.

4.实验结论

图3

图4

图5

匀强电场中任意平行的两条相等直线电势差相等

通过该实验，可以帮助学生将抽象的物理规律变得形象、直观，正确而深刻地理解物理知识.同时，学生在自主实验探究的过程中还感受到学习的乐趣和成就感，掌握了科学探究的方法.