用模拟法描绘静电场(cm).pptVIP

* 实验物理电子教案 程 敏 用模拟法描绘静电场 用模拟法描绘静电场 一. 目的 1、了解模拟法测量静电场的方法、原理及 条件； 2、通过模拟法电场了解同轴电缆、示波管 内聚焦电场的分布情况； 3、加深电场强度，电位和电位差概念的理 解。 本实验主要研究内容： 模拟法 二、实验仪器 XD-FY-J电场描绘装置 游标卡尺 XD-J电场描绘电源 用模拟法描绘静电场 三、实验原理 1.物理学中的模拟法 对于静电场，电场强度在无源区域内满足以下积分关系： 对于稳恒电流场，电流密度矢量 在无源区域内也满足类似的积分关系 两个物理量之间，只要有相同的物理模型或类似的数学函数关系，就可以相互表征。 稳恒电流场与静电场是两种不同性质的场，但 因此，我们可以用稳恒电流场来模拟静电场。 用模拟法描绘静电场 若两个现象或过程具有相似的性质，服从同一自然规律，满足单值条件，就可以利用其相似性研究其中一个现象或过程以代替对另一个现象或过程的研究，而得到的结果是相同的，这种方法叫做模拟法。 2、无限长同轴电缆中的电场分布 如图1(a)所示，在真空中有一半径为a的长圆柱形导体A和一内半径为b的长圆筒形导体B，它们同轴放置，分别带等量异号电荷。由高斯定理知，在垂直于轴线的任一载面s内，都有均匀分布的辐射状电场线，这是一个与坐标Z轴无关的二维场。在二维场中，电场强度E平行于xy平面，其等位面为一簇同轴圆柱面。因此只要研究S面上的电场分布即可。 a a b b 同轴电缆中的静电场分布 设内外筒间单位长度上带电量分别为??和??，电位分别为Ua和Ub，则两筒间r处电场强度可由高斯定理及对称性求出 两筒间任一点r处电位为Ur，则 令r = b 时，Ub = 0，则 距圆心r处的场强为： 同轴电缆中的静电场分布 3.同柱圆柱面电极间的电流分布 图2是用来模拟上述电场的装置，A、B为电极，分别与电源正负极相连。两极间充满自来水，并加上电压，则A、B间将形成径向电流，从而建立起一个稳恒电流场。 设水深度为h，电阻率为?，则半径为r的圆周到半径为(r+dr)圆周间的径向电阻为： 同柱圆柱面电极间的电流分布 设B极接地，则Ub径向电流为： 由a到r处电位差，为 则半径a-r、a-b间圆环电阻分别为 稳恒电流场场强，为 可见稳恒电流场与被模拟的静电场电位分布相同，稳恒电流场电场强度与静电场电场强度分布也相同。 同轴电缆中的静电场分布： 电流场分布 四.实验内容 1. 测绘无限长同轴电缆中静电场分布 1). 在静电场描绘仪中放入同轴电缆电极。接好电路(aa’, bb’, cc’分别联线)，“电压输出—探测开关”置输出，稳压电源输出值为5V，用探针进行测绘； , 2). “电压输出—探测开关”置探测。在内圆电极周围(U=5V)对称选八个点，在记录纸上打下对应点。移动探针，在U=4V、…、U=1V时各在记录纸上选八个对称点打孔。 3). 由最靠近内电极等位线定出其同心圆的圆心。作等位线时，不必通过每一个点，要兼顾曲线光滑 。 用模拟法描绘静电场 4). 利用所确定的圆心和等位线与电场线垂直的关系，作出八条对称分布的电场线，就可得到电场分布图。 1). 换入示波管电聚焦电极。稳压电源输出值U=5V。移动探针测绘方法依照1-(1)、(2)进行，取U=4.5V、3.5V、2.5V、1.5V、0.5V值，可先做U=2.5V的点； 2). 作出等位线、电场线，得到示波管内聚焦电场的分布。 3). 由最靠近内电极等位线定出其同心圆的圆心。作等位线时，不必通过每一个点，要兼顾曲线光滑 。 2. 测绘示波管内聚焦电场的分布 3. 用类似方法测绘两个点电荷、平板电容器等的电场分布 用模拟法描绘静电场 五. 数据处理 1). 利用实验记录作出同轴电缆及示波管内聚焦电场的分布图，并表明各等位线的电力线方向； 2). 分别测出同轴电缆中电场的等位线上各点到圆心的距离，求出平均值 ； 3). 对每条线的 ，计算 ，将数据填入下表 (?mm) 5 4 3 2 1 0 U实（V） 同轴电缆中的静电场分布 五. 数据处理 3). 对每条线的 ，计算 ，将数据填入下表 (?mm) 5 4 3 2 1 0 U实（V） 同轴电缆中的静电场分布 4). 以 为横坐标，U实 为纵坐标作 - U实实验曲线图，并作出 - U理理论曲线，即通过坐标原点(0,0)和( - Ua )作直线，将这两条线进行比较。 1). 等位线与电场线