模擬法測(cè)靜電場(chǎng)實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)

李漢軍，鄭曉慧，袁曉梅

(空軍勤務(wù)學(xué)院)

0 引言

靜電場(chǎng)是電磁學(xué)內(nèi)容的核心，當(dāng)帶電體的形狀、電量確定后，其電場(chǎng)分布也就確定了.人們引入電場(chǎng)線和等勢(shì)面形象描繪電場(chǎng)，而電場(chǎng)線和等勢(shì)面處處垂直，所以只要繪制出等勢(shì)面，即可了解電場(chǎng)分布，但在靜電場(chǎng)中沒有電流，無法用電表直接測(cè)量，因而實(shí)驗(yàn)時(shí)常采用一種方法——模擬法，即仿造一個(gè)電場(chǎng)(模擬場(chǎng))與原電場(chǎng)完全一樣，通過探針對(duì)模擬場(chǎng)間接測(cè)量，從而做出靜電場(chǎng)的等勢(shì)線［1-4］.

模擬法測(cè)量靜電場(chǎng)是高等學(xué)校物理實(shí)驗(yàn)課程的必做實(shí)驗(yàn)之一，目前靜電場(chǎng)描繪儀是應(yīng)用雙層靜電場(chǎng)測(cè)試儀進(jìn)行模擬，方法是在一個(gè)透明的有機(jī)玻璃水槽中固定電極，然后在水槽中裝上適量的水，放到實(shí)驗(yàn)架的下層進(jìn)行實(shí)驗(yàn).

1 現(xiàn)有的靜電場(chǎng)描繪儀存在的主要不足

1.1 調(diào)節(jié)水平方面

現(xiàn)有靜電場(chǎng)描繪儀沒有水平調(diào)節(jié)裝置，當(dāng)儀器水平度出現(xiàn)偏差后會(huì)導(dǎo)致水面與電極平面不平行，造成導(dǎo)電介質(zhì)在水槽內(nèi)分布不均勻，影響電壓測(cè)量數(shù)據(jù).

1.2 電壓測(cè)量方面

現(xiàn)有雙層靜電場(chǎng)描繪儀實(shí)驗(yàn)儀器使用的是TH2172型交流毫伏表，是模擬法測(cè)量靜電場(chǎng)的傳統(tǒng)儀器.在使用中發(fā)現(xiàn)用這種儀器觀測(cè)等電位點(diǎn)時(shí)儀表讀數(shù)不穩(wěn)定，觀測(cè)難度大，使用不方便［5］.

1.3 探針移動(dòng)方面

目前很多高校實(shí)驗(yàn)課所用的靜電場(chǎng)描繪儀都采用等臂記錄法，大都使用雙層結(jié)構(gòu)的描繪儀來描繪模擬靜電場(chǎng).現(xiàn)有儀器連結(jié)上下兩探針的固定手柄座質(zhì)量較大，與實(shí)驗(yàn)臺(tái)的摩擦力很大，在移動(dòng)描點(diǎn)時(shí)很難控制它的移動(dòng)位置，尤其是從靜止到運(yùn)動(dòng)的瞬間和當(dāng)電壓表示數(shù)很接近參考待測(cè)位置電壓而需要微小調(diào)節(jié)時(shí)，很難控制準(zhǔn)確，因而導(dǎo)致誤差較大，影響實(shí)驗(yàn)效果，增加了實(shí)驗(yàn)的難度.

1.4 模擬電場(chǎng)水槽方面

現(xiàn)有儀器提供的模擬電場(chǎng)電極都固定在水槽底部，若要測(cè)量不同電場(chǎng)，就需要更換不同的水槽，這樣就造成在實(shí)驗(yàn)中不斷的拆解電路和更換水槽，操作過程繁瑣，而且由于模擬電場(chǎng)水槽有限，測(cè)量范圍較窄.

為了克服現(xiàn)有靜電場(chǎng)描繪儀的缺點(diǎn)，對(duì)現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行改進(jìn)很有必要.

2 對(duì)模擬法靜電場(chǎng)描繪儀實(shí)驗(yàn)裝置的幾點(diǎn)改進(jìn)

改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示.

圖1 改進(jìn)后實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)物圖

2.1 對(duì)儀器水平調(diào)節(jié)的改進(jìn)

在裝置底部增設(shè)水平調(diào)節(jié)螺絲，利用水準(zhǔn)泡將儀器調(diào)節(jié)水平，從而避免導(dǎo)電介質(zhì)在水槽內(nèi)分布不均勻?qū)е碌碾妷簻y(cè)量數(shù)據(jù)不準(zhǔn).

2.2 對(duì)電壓表的改進(jìn)

數(shù)字電壓表的內(nèi)阻比指針式電壓表的內(nèi)阻大得多，在實(shí)驗(yàn)中用數(shù)字電壓表代替指針式電壓表，解決指針式電壓表讀數(shù)誤差，指針不穩(wěn)定等缺點(diǎn).

2.3 對(duì)記錄方式的改進(jìn)

該裝置改用直接的測(cè)量方法:將單探針臂上安裝在一個(gè)正交標(biāo)尺交叉點(diǎn)上，移動(dòng)探針的時(shí)候，利用標(biāo)尺可直接測(cè)出探針在電場(chǎng)中的絕對(duì)坐標(biāo)值.這樣不僅克服了雙探針可能引起的誤差，又將描繪點(diǎn)坐標(biāo)直接測(cè)量出來，方便快捷，誤差較小.

2.4 對(duì)電極的改進(jìn)

將原有的同軸柱面固定電極和長(zhǎng)平行圓柱固定電極拆解下來，變?yōu)榭梢苿?dòng)電極，另外增設(shè)多個(gè)電極，如平行板電極，銳角極板與平行板電極等等.這樣只需要一個(gè)水槽就可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)模擬場(chǎng)的測(cè)量，既節(jié)省了成本，又?jǐn)U大了測(cè)量范圍.

圖2 實(shí)驗(yàn)線路圖

3 實(shí)驗(yàn)方法

以模擬同軸柱面間的靜電場(chǎng)分布為例:

(1)通過調(diào)節(jié)水平調(diào)節(jié)螺絲，觀察水準(zhǔn)泡，將儀器調(diào)節(jié)水平.

(2)將同軸柱面電極放入多功能水槽相應(yīng)位置中，并注入適量的水.

(3)按照實(shí)驗(yàn)線路圖(如圖2所示)，將交流穩(wěn)壓電源、數(shù)字電壓表以及電極連接好.

(4)打開交流穩(wěn)壓電源和數(shù)字電壓表開關(guān)，移動(dòng)探針，觀察電壓表讀數(shù)，當(dāng)?shù)竭_(dá)所測(cè)電位值時(shí)，利用正交標(biāo)尺讀取坐標(biāo)值，將數(shù)據(jù)記錄下來，并在紙上描點(diǎn)作圖(如圖3所示).測(cè)出2 V、3 V、5 V和7 V的等勢(shì)線.

圖3 同軸柱面間的靜電場(chǎng)描繪圖

4 改進(jìn)前后儀器實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比分析

表1 新儀器測(cè)量同軸柱面間的靜電場(chǎng)中各點(diǎn)坐標(biāo)值

表2 新儀器測(cè)量數(shù)據(jù)處理 r1=5.07 mm，r2=49.99 mm，V1=15 V

表3 原儀器測(cè)量數(shù)據(jù) r1=5.02 mm，r2=50.01 mm，V1=13 V

從表1、表2、表3新舊儀器測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)比可以看出，新型靜電場(chǎng)描繪儀測(cè)量誤差較?。?-7］.

5 結(jié)論

改進(jìn)后的靜電場(chǎng)描繪儀基本克服了傳統(tǒng)的靜電場(chǎng)描繪儀的缺陷，增加水平調(diào)節(jié)可有效避免導(dǎo)電介質(zhì)在水槽內(nèi)分布不均勻?qū)е碌臏y(cè)量誤差;數(shù)字電壓表的采用使得測(cè)量精度提高;利用單層正交標(biāo)尺移動(dòng)探針結(jié)構(gòu)方便靈活，描點(diǎn)記錄準(zhǔn)確可靠;可移動(dòng)電極的設(shè)計(jì)擴(kuò)展了測(cè)量空間.改進(jìn)后的靜電場(chǎng)描繪儀能更有效地模擬靜電場(chǎng)的分布.

［1］ 沈元華，陸申龍.基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)［M］.上海:高等教育出版社，2003:154-158.

［2］ 張國(guó)恒，魏秀芳.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)［M］.北京:科學(xué)出版社，2010:54-58.

［3］ 肖蘇.實(shí)驗(yàn)物理實(shí)驗(yàn)［M］.合肥:中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，1998.

［4］ 吳鳳英.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)［M］.長(zhǎng)沙:湖南大學(xué)出版社，2000.

［5］ 楊瑞.對(duì)靜電場(chǎng)中的場(chǎng)強(qiáng)與能量的求法的分析［J］.哈爾濱師范大學(xué)自然科學(xué)學(xué)報(bào)，2011，27():26-28.

［6］ 桂維玲.法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具實(shí)驗(yàn)三種數(shù)據(jù)處理方法的討論［J］.物理實(shí)驗(yàn)，1998(6):51-53.

［7］ 賈福榮.靜電場(chǎng)描繪實(shí)驗(yàn)儀的主要誤差分析［J］.內(nèi)蒙古科技與經(jīng)濟(jì)，2002，12(4):59.