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1、1,用模拟法测绘静电场,大学物理实验,指导教师：YHT,2,实验目的,1、学会用模拟法测量静电场的分布； 2、加深对电场强度和电势概念的理解； 3、了解用模拟法测量的特点和使用条件；,3,静电场 物理量：电场强度E 数学描述： 描绘方法：电场线和等势面来描绘静电场,实验原理,4,测试中的困难,-,引入测试电荷q,结果使原电场发生畸变,5,解决的方法：,由电磁学理论可知,无自由电荷分布的各向同性均匀电介质中的静电场的电势、与不含电源的各向同性均匀导体中稳恒电流场的电势,两者所遵从的物理规律具有相同的数学表达式.在相同的边界条件下,这两种场的电势分布相似,因此只要选择合适的模型,在一定条件下用稳恒
2、电流场去模拟静电场是可行的.,在静电场的无源区域中，电场强度矢量E满足：,在电流场的无源区域中，电流密度矢量j满足：,，,6,模拟法,.模拟法不是直接研究某一物理量或过程本身,而是利用与这个物理量或过程相似的模型来进行研究. 本实验的特点是,仿造一个与静电场完全类似的模拟场,当用探针探测它时,它不受干扰,因而可以把对模拟场的实验结果,推广和应用于静电场.,7,同轴圆柱面的静电场的分布,图1,图1圆柱形导体A和圆柱壳导体B同心放置，分别带有等值异号电荷。A、B间为真空，由高斯定理可知，其电场线沿经向由A向B辐射分布，由于轴对称性，其等位面为一簇同轴圆柱面。 电场的分布图形见图2所示。因此只要研究
3、如图1所示的任一垂直横截面P上的电场分布即可。,8,静电场电势分布,根据理论计算，A、B两电极间半径为r处的电场强度大小为,A、B两极间任一半径为r的柱面的电势分布为,A、B两极间任一半径为r的柱面的电势分布为,9,稳恒电流场,图3同轴圆柱面的电流场,10,设任意处的电流密度为j，电阻率为 ，,（1）求电流场的电阻分布,结论：在离开圆心r处两场电势有完全相同的表达式。故可用稳恒电流场模拟静电场。,（2）求电流,（3）求r处电势,电流场电势分布,11,实验仪器,1、DZ-型导电液体式电场描绘实验仪,上层用于安放坐标纸，P是测量探针，用于在水中或导电纸上测量等势点，P是记录探针，可将P在水中或导电
4、纸上测得的各电势点同步地记录在坐标纸上（打出印迹）。由于P、P是固定在同一探针架上的，所以两者绘出的图形完全相同。,12,1.在测试仪上层板上放一张坐标记录纸,2.加水，不要超出圆高度,13,3、连接,4、调节探针,接好电路。调节探针，使下探针浸入自来水，触及水槽底部，上探针与坐标纸有12mm的距离。,14,5、调节 接通电源，将K2扳下“电压输出”位置。调节“电压调节”旋钮，使AB两电极间的电压为交流10V，并记下来为VA，以后保持不变,6 测量 将K2扳下“检测位置”。移动探针，在A电极附近分别找出电势为2V、4V、6V、8V等位点。用上探针在坐标纸上扎孔为记。每个设定电压值的等位点至少取
5、8个均匀点。,15,等势点连接成等势线（应是圆），,（1）手工拟合圆 （2）利用坐标线，确定圆外切点 用直尺量出直径,16,注意事项：,1、测量前检查游标卡尺。应将量爪间的脏物、灰尘和油污等擦干净。 2、使用游标卡尺测量时，要注意校正零点。 3、在使用游标卡尺时，要特别注意保护量爪。测量时, 只要把物体轻轻卡住即可，尤其不允许把夹紧的物体乱摇动, 以免损坏量刃。 4、测量时，用左手拿零件，右手拿卡尺进行测量，对比较长的零件要多测几个位置。,17,检查零点，熟悉卡尺精度及刻度状态 松开固定螺钉，拉开游标卡尺，夹住被测物 锁住固定螺钉 读数 复原,测量步骤,18,卡尺的读数：（50分度为例）,1.
6、由游标“0”线在主尺上的位置读出整毫米数x， 2.若游标上的第k根刻线与主尺上某刻线对齐,则从游标上读出毫米以下小数部分的值为： (0.02mm为游标卡尺的精度） 3.求出待测物尺寸为：,100mm+37x0.02mm=100.74mm,19,2、游标卡尺:(0-150mm,0.02mm）,游标尺也称卡尺，可用以测量物体的长度、内外径以及高度和深度，其测量量程一般100到300mm，准确度可达0.1mm（10分度）到 0.02 mm（50分度），其仪器误差为其分度值。,20,卡尺的特点： 游标上n个分度总长与主尺上（n-1）个最小分度的总长相等。设 为主尺上最小分度的长度， 为每个游标分度的长
7、度,游标卡尺的最小读数值（仪器误差）,21,卡尺构造：,游标卡尺的构造如图所示，当主尺的零线与游标的零线对齐时，测量长度为零，这时内、外量爪都应吻合无缝，而且探尺端与主尺端相平。,F为固定螺钉,外量爪AB用于测量外径,尾尺c用于测量深度,内量爪A1，B1用于测量内径,主尺D,游标E,22,实验步骤,1.在测试仪上层板上放一张坐标记录纸，下层板上放置水槽式无限长同轴圆柱面电场模拟电极。加自来水填充在电极间。 2.接好电路。调节探针，使下探针浸入自来水，触及水槽底部，上探针与坐标纸有12mm的距离。先用探针定出圆心的位置，按下探针上端的描绘针，坐标纸上就定出了圆心的位置。3。 3.接通电源，将K2
8、扳下“电压输出”位置。调节“电压调节”旋钮，使AB两电极间的电压为交流10V，并记下来为VA，以后保持不变。 4.将K2扳下“检测位置”。移动探针，在A电极附近分别找出电势为1V，3V、5V、 7V等位点。用上探针在坐标纸上扎孔为记。每个设定电压值的等位点至少取8个均匀点。,23,5.分别把等势点连接成等势线（应是圆），并以所确定的圆心位置为中心，以0.8cm为半径画圆，作为中心圆柱柱面，以4.3cm、5.3cm为半径做圆，作为圆筒的内外壁。,6.量出各条等势线的半径r，并分别示求其平均值。 7.用游标卡尺分别测出电极A和B的直径2a和2b。 8.计算各相应半径r的电势的理论值V理，并与实验值
9、比较，计算百分差。 9.根据等势线与电力线相互正交的特点，在等势线图上画电力线，画出一张完整的静电场分布图。 10.以lnr为横坐标，V实为纵坐标，做V实-lnr 曲线，并与V理-lnr 曲线比较。,24,注意事项,1.两电极间的电压调为12V后，测量过程中要保持不变。 2.水槽电极放置时位置要端正、水平。避免等位线失真。 3.使用同步探针时，应轻移轻放，避免变形，以致上、下探针不同步。测量时，应轻轻正按上探针按钮，使探测点与描绘点对应。 4.实验结束后，将水槽中的水倒掉并将倒扣放置，避免电极氧化生锈。,25,数据记录与处理,UA = 10v, 2a = 1.6240.002 cm, 2b =
10、 8.5800.002 cm,26,数据处理,1、用圆规和曲线板绘出园柱形同轴电缆电场等位线(注意电极的位置). 2、根据电力线垂直等位面,绘出电力线.,27,3、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）,1、 则,28,分析,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,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。,29,实验报告中内容,测量圆环的电场分布并分析计算 测量聚焦电极的电场分布,说明聚焦含义,
