摘要：本文从大学物理实验中模拟法测绘静电场的实验遇到的问题出发，提出了完善和改进措施，并指出了值得注意的几个问题。

　　关键词：模拟法;静电场描绘;数据处理;注意事项

　　1引言

　　模拟法测绘静电场是大学物理实验课的一个基础实验。但因为实验原理简单，操作容易，所以一般的教材都对实验步骤以及数据处理叙述的不太完整和全面，因而造成了学生在实验中只是简单地打点，潦草地画个图。实验结果表述也混乱不准确。实验中值得注意的地方也大多被忽略了。

　　2 实验原理简单但方法重要

　　电场强度E是一个矢量。因此，在电场的计算或测试中往往是先研究电位的分布情况，因为电位是标量。我们可以先测得等位面，再根据电力线与等位面处处正交的特点，作出电力线，整个电场的分布就可以用几何图形清楚地表示出来了。有了电位U值的分布，由

　　便可求出E的大小和方向，整个电场就算确定了。这就是本实验的原理，非常地浅显。但因静电场的电位不能利用磁电式电压表直接测定。所以用电流场代替静电场。电流场中有许多电位彼此相等的点，测出这些电位相等的点，描绘成面就是等位面。这些面也是静电场中的等位面。这种模拟实际情况而进行测量的方法称为“模拟法”。这也是本实验的第一个重点。

　　3 测量容易但数据处理复杂

　　实验中核心的操作步骤形象地说就是“打点”。但学生对这些简单的“点阵”不知道怎么处理。以同轴电极为例数据处理可以概括为三点：找圆心，量距离，画对比图。

　　1)、找圆心：做完所有等势线上测量点后，还需沿外电极外沿做三个测量点，过三个点任做两条弦，两条弦的中垂线就是电极的圆心。这是基础，不找圆心就不可能进行下面的测量。之后边可测出的半径ra、rb，画出完整的同轴柱形电极用不同符号标注出各等势线上的测量点和等势线数值，绘出理论等势线(根据公式计算)和电场线。

　　2)、量出同轴圆柱电极记录纸上等势线各测量点到圆心的距离，求出平均值。 3)、在半对数坐标纸上绘出Vr/Va～lnr理论曲线，标出对应的实验测量点 ，画出实验曲线。求出其相对误差。

　　范例： 同轴圆柱模拟电场分布测试数据及处理

VA= 10.0±0.1V 2ra= 1.624±0.002cm 2rb= 8.580±0.002cm V理(V) 10.0 8.0 6.0 4.0 3.0 2.0 1.0 r(cm) ? 1.1 1.50 2.15 2.55 ? 3.58 V理 ? 8.17 6.31 4.14 3.12 ? 1.07 ? 2.1% 4.9% 3.4% 3.8% ? 6.5% 在圆柱形电缆电场分布图上量出各等位线的半径,计算V并与理论值比较,求出其相对误差.

(1);则;

(2);则;

结果分析： 实验误差主要由电源电压的输入阻抗引起，输入阻抗越大，误差越小，结果越好。 等势面由人工拟合，因此半径的计算较粗糙，估计至少，分析对第一组的影响， 由知，

　　说明在确定数据点时，一定要保证装置以及操作的稳定性，另外数据尽量多，以减少实验值的波动性。

　　4 实验目的明确但在实验结果表述中往往被忽略

　　本实验的目的是描绘静电场，必须把等势线和电力线描绘出来。但学生在撰写实验报告时往往忽略了这一点，根本没有等势线和电力线描绘图。一部分同学虽然画了，但没有按描点法的要求和原则用圆规画圆，而是简单地将几个点连起来。相应地，其他的一些注意事项也被忽略了，如因为在静电平衡状态下，导体内部电场为零，电荷分布于导体表面。所以电场线始于中心电极的外表面，终止于外电极的内表面。

　　5 描绘了同轴电极电场而不知道其他电极的电场怎么描绘

　　5.1 模拟平面板与其中垂面上长直带电圆柱体的电场的主要步骤

　　(1).按线路图连接线路。

　　(2).用水准仪调平水槽架底座。在水槽内注入一定量的水，在水槽架上层压好白纸，用于记录测绘点;接通电源，电压调至10V，其值由数字电压表置“输出”时读出，探针置于水槽外。

　　(3).将探针与内电极紧密接触，电压显示为10V，其值由数字电压表置“检测”时读出。若电压显示为0V，则改变电源电压输出极性。

　　(4).让探针在两极间慢慢移动，依次测出电压分别为7.5V、5.0V、2.5V的等势线，每一个等势线8个测量点。

　　(5).用探针沿带电圆柱体电极外侧取三个记录点，用探针沿带电平面板电极外侧取四个记录点，用于确定电极的圆心和电极的厚度。

　　(6). 在测量纸上用不同符号标注出各等势线上的测量点和等势线数值，画出电极，绘出实验等势线和电场线的边缘效应。写出图名(平行板电极电场分布图)。

　　5.2 平行板电极

　　根据确定电极位置的测量点画出两电极板，分别用光滑曲线连接同一电势的八个测量点，画出等势线，用同一种符号将测量点标出，并注明等势线量值。与同轴电极一样，画出电场线及其方向。在画电场线时，要特别注意靠近极板两端电场。

　　5.3 其他的参照上述步骤。

　　6结束语

　　典型电场的等势线和电力线的分布很简单，中学教材中已经讲到了，不能满足于简单地将等势线和电力线描绘出来。不仅要做到完整准确，而且要重点从方法步骤方面加以完善。此外，这个简单的实验还有许多值得研究的方面，诸如实验的模拟条件，误差大等等。

　　参考文献：

　　[1]崔云康，狄云松，王铁平，蒋耀妹。静电场描绘仪的改进[J]。大 学 物 理，2005， 24(7)：32-33。

　　[2] 赵燕萍。静电场描绘实验理论值与实验值的吻合[J]。 实 验 室 研 究 与 探 索，20O6，25(6)：631-633,724

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