等臂記錄法描繪電場的實(shí)驗(yàn)裝置改進(jìn)研究

邵恩浩 阿地力·吐爾遜

摘 要：一般來說，靜電場描繪電源的誤差難以左右，為了使靜電場的描繪實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論數(shù)據(jù)較好地吻合，有必要改進(jìn)雙探針裝置和雙支架平臺(tái)。若上彈簧片長度和標(biāo)記點(diǎn)與鐵柱的垂直距離不吻合，彈簧片不穩(wěn)定，中心電極螺絲釘?shù)氖植酆吞结槻晃呛?，就容易?dǎo)致誤差。本文討論誤差產(chǎn)生的原因，設(shè)計(jì)減小誤差的模型，羅列制作改進(jìn)裝置所需的材料和注意事項(xiàng)，驗(yàn)證改進(jìn)裝置的實(shí)用性與準(zhǔn)確性，最后對(duì)改進(jìn)前后的裝置進(jìn)行對(duì)比。

關(guān)鍵詞：靜電場;等臂記錄法;裝置改進(jìn);實(shí)驗(yàn)誤差

中圖分類號(hào)：O441.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2021）17-0049-03

Research on the Improvement of the Experimental Device of

Depicting Electric Field by Equal Arm Recording Method

SHAO Enhao ADIL Tursun

（School of Physics and Electronic Engineering， Xinjiang Normal University，Urumqi Xinjiang 830054）

Abstract： Generally speaking， it is difficult to control the error of the electrostatic field description power supply， in order to make the experimental results of the electrostatic field description agree well with the theoretical data， it is necessary to improve the dual-probe device and the dual-support platform. If the length of the upper spring piece does not match the vertical distance between the marking point and the iron post， the spring piece is unstable， and the cross groove of the center electrode screw does not match the probe， it is easy to cause errors. This paper discusses the causes of errors， designs a model to reduce errors， lists the materials and precautions needed to make the improved device， verifies the practicability and accuracy of the improved device， and finally compares the device before and after the improvement.

Keywords： electrostatic field;equal arm recording method;device improvement;xperimental error

靜電場描繪實(shí)驗(yàn)用來探究帶電體周圍靜電場的分布情況，由于電勢或電場強(qiáng)度都不易測量，因此用恒定電流場來模擬靜電場的電勢分布。實(shí)驗(yàn)用到的記錄裝置采用等臂記錄法，它的原理是用導(dǎo)電紙作為導(dǎo)電介質(zhì)，在其上用特定形狀的電極壓緊，在電極上加恒定直流電壓，則電極間的導(dǎo)電介質(zhì)中就形成恒定電流場，導(dǎo)電紙和雙探針連接，下壓探針即可與導(dǎo)電紙接觸測量電勢，當(dāng)找到等勢點(diǎn)后，按下探針進(jìn)行記錄。而雙探針和雙支架平臺(tái)在實(shí)驗(yàn)時(shí)需要人為操作，所以會(huì)出現(xiàn)多種需要解析的誤差。本文針對(duì)雙探針和雙支架平臺(tái)產(chǎn)生誤差的原因，提出有效的改進(jìn)方法，使實(shí)驗(yàn)結(jié)果更為精準(zhǔn)。

1 上層探針產(chǎn)生的誤差及改進(jìn)方法

靜電場描繪實(shí)驗(yàn)通常需要使用雙探針和記錄紙，如圖1所示[1]。觀察發(fā)現(xiàn)，探針頭和記錄紙之間會(huì)有一定的距離。每按一下探針，彈簧片就會(huì)發(fā)生彈性形變，從而在記錄紙上留下標(biāo)記點(diǎn)，如圖2所示。

1.1 誤差分析

分析圖2可得，因?yàn)閺椈善拈L度不變（彈簧片變化微小，可以忽略不計(jì)），在按下探針的過程中，探針的初位置和末位置會(huì)以彈簧片末端為圓心發(fā)生偏轉(zhuǎn)，導(dǎo)致理論上探針在導(dǎo)電紙上的標(biāo)記點(diǎn)會(huì)與實(shí)際點(diǎn)存在偏差。經(jīng)測定，研究裝置的彈簧片長度[L]為24.7 cm。不同電壓下，壓下探針后，標(biāo)記點(diǎn)與鐵柱的垂直距離[L0]、理想點(diǎn)與實(shí)際點(diǎn)的間距?[L]如表1所示。由表1可得，靜電場的描繪實(shí)驗(yàn)中，標(biāo)記點(diǎn)與真實(shí)點(diǎn)的平均誤差長度[ΔL]為0.30 cm。綜上所述，雙探針針頭會(huì)在被按壓過程中偏離豎直位置，產(chǎn)生誤差，進(jìn)而影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

1.2 改進(jìn)方法

想要解決雙探針針頭在被按壓過程中偏離豎直位置的問題，必須保證彈簧片不彎壓。然而，彎壓彈簧片的目的是使探針頭接觸記錄紙，所以只要另辟蹊徑使針頭接觸記錄紙，就可以解決問題。

本研究從生活中常用的按動(dòng)筆獲得靈感來源，用一支“按動(dòng)筆”代替探針作為標(biāo)記點(diǎn)的工具。按動(dòng)筆的頂部有一個(gè)存在很多斜槽與凹槽的齒輪，每個(gè)斜槽運(yùn)動(dòng)回合對(duì)應(yīng)一個(gè)凹槽卡位，上方的齒輪凹槽為一淺一深，間隔排列。當(dāng)按動(dòng)筆時(shí)，下方的齒輪斜槽從上方齒輪的前一個(gè)凹槽中彈出來，然后沿著斜槽滑入相鄰的凹槽并且被卡住。如果卡在較深的凹槽，筆頭就進(jìn)去，如果卡在較淺的凹槽，筆頭就出來，這兩種凹槽依次間隔排列，所以能有序控制筆頭的進(jìn)出[2]。

本研究制作了一支按動(dòng)筆，筆頭即為探針，如圖3所示。當(dāng)壓下下層探棒時(shí)，探針即與導(dǎo)電紙接觸，可測量電勢，當(dāng)找到等勢點(diǎn)時(shí)，按下上層探棒，探針伸出，在記錄紙上留下標(biāo)記。

在原實(shí)驗(yàn)裝置中，上下層探棒相同，理論上在制作時(shí)是可以互換的。改進(jìn)后，下探棒的探針需要與導(dǎo)電紙接觸測量電勢，且不存在上探棒被按壓的情況，所以不需要改進(jìn)下探棒，而且上下探棒不可互換。

2 彈簧片產(chǎn)生的誤差和改進(jìn)方法

靜電場描繪實(shí)驗(yàn)中，在用下層探針測量電勢時(shí)，要等待數(shù)據(jù)穩(wěn)定，再觀察和記錄靜電場描繪電源上的電勢讀數(shù)。

2.1 誤差分析

導(dǎo)致靜電場描繪電源上的電勢讀數(shù)不穩(wěn)定的原因是：下層探針測量電勢時(shí)，要移動(dòng)下層探棒，使得兩層彈簧片產(chǎn)生較大幅度的晃動(dòng)，探針在導(dǎo)電紙上發(fā)生位移，產(chǎn)生不穩(wěn)定的讀數(shù)。

為了探究不同人對(duì)實(shí)驗(yàn)誤差的影響，本研究選取A（理智型）、B（情緒型）、C（意志型）三名不同性格的實(shí)驗(yàn)者，讓其測量目標(biāo)點(diǎn)的電勢（為了保證實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性，采取三次測量求平均值的辦法），最后與目標(biāo)點(diǎn)測量的真實(shí)電勢比較，得出結(jié)論[3]。測定數(shù)據(jù)如表2所示。為了避免A性格理智影響實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，目標(biāo)點(diǎn)選取1.05 V。誤差程度的大小在于實(shí)驗(yàn)者在移動(dòng)下層探棒時(shí)嚴(yán)謹(jǐn)與否。為了減小人為誤差，在實(shí)驗(yàn)者移動(dòng)裝置的過程中，要減小彈簧片擺動(dòng)幅度。

2.2 改進(jìn)方法

三角形具有穩(wěn)定性，在不移動(dòng)雙探針裝置的情況下，不妨將彈簧片改進(jìn)成三角形，如圖4所示[4]。此外，彈簧片制作材料應(yīng)當(dāng)選擇密度大的金屬，如鉑、鎢、銅等。

3 十字槽盤頭螺絲釘作為中心電極產(chǎn)生的誤差和改進(jìn)方法

以實(shí)驗(yàn)中常用的雙支架平臺(tái)為例，雙支架平臺(tái)的下層為模擬中同軸帶點(diǎn)圓柱體間靜電場用的電極。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，雙支架平臺(tái)的中心電極接頭為十字槽盤頭螺絲釘，如圖5所示。當(dāng)壓下下層探棒時(shí)，探針即與十字槽盤頭螺絲釘接觸，可記錄中心電極的位置。

3.1 誤差分析

由于十字盤頭螺絲釘?shù)拿表敒槭中伟疾?，在探針放入凹槽確定圓心時(shí)，探針很可能會(huì)偏離中心位置，導(dǎo)致無法確定準(zhǔn)確的圓心位置，進(jìn)而影響靜電場描繪實(shí)驗(yàn)對(duì)等勢線的描繪[5]。理論上，本實(shí)驗(yàn)在描繪每個(gè)等勢線之前，要標(biāo)記出多個(gè)與圓心相同距離的點(diǎn)，最后才能描繪出數(shù)個(gè)以中心電極為圓心的同心圓。若探針偏離中心電極，則無法標(biāo)記出與圓心相同距離的點(diǎn)，也無法描繪出數(shù)個(gè)以中心電極為圓心的同心圓或描繪出的同心圓有嚴(yán)重偏差。

3.2 改進(jìn)方法

解決探針偏離中心電極的方法是改進(jìn)螺絲釘?shù)氖植?。以漏斗為靈感來源（漏斗是一種筒狀物體，被用于把液體及粉狀物體注入口較細(xì)小的容器），將凹槽改為漏斗形，將漏斗的咀部制作成尖頭，則無論探針被移動(dòng)到何處，針頭本身受到地球的萬有引力作用，并且受到的萬有引力大于其他方向的作用力（主要是針頭與漏斗形凹槽斜內(nèi)壁的摩擦力）的合力，所以探針頭朝萬有引力的方向運(yùn)動(dòng)，即總會(huì)沿著凹槽壁滑入中心電極。

4 結(jié)論

本研究制作了一支按動(dòng)筆，筆頭即為探針。其間將彈簧片改進(jìn)成三角形，用漏斗形凹槽的螺絲釘代替十字槽盤頭螺絲釘。當(dāng)壓下下層探棒時(shí)，探針即與導(dǎo)電紙接觸，可測量電勢。改進(jìn)材料單的內(nèi)容有按動(dòng)筆型探針、三角形彈簧片、具有漏斗形凹槽的螺絲釘。注意事項(xiàng)如下：上下探針不可互換，選取大密度材料，咀部改為尖頭。本文針對(duì)大學(xué)實(shí)驗(yàn)室常用的雙探針裝置和雙支架平臺(tái)進(jìn)行改進(jìn)。當(dāng)然，在平常進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，以上誤差幾乎可以忽略不計(jì)，但是就實(shí)驗(yàn)應(yīng)當(dāng)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)慕嵌龋o電場描繪的器材還是值得改進(jìn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊述武，孫迎春，沈國土，等.普通物理實(shí)驗(yàn)電磁學(xué)部分[M].北京：高等教育出版社，2015：86-87.

[2]涉獵客.按壓式圓珠筆內(nèi)部運(yùn)動(dòng)詳解[EB/OL].（2016-12-29）[2021-04-26].https：//www.sohu.com/a/122927614_58988

3？tdsourcetag=s_pcqq_aiomsg.

[3]阿玉.你的性格是情緒型、理智型、意志型？[J].人人健康，2000（3）：53.

[4]王新民.三角形穩(wěn)定性的基本內(nèi)涵及其教學(xué)定位[J].內(nèi)江師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2017（12）：28-32.

[5]齊延生，泮戰(zhàn)俠，白培謙.十字槽盤頭螺絲釘早期失效分析及改進(jìn)[J].汽車實(shí)用技術(shù)，2017（20）：93-94.