模拟法描绘静电场实验的数据处理与分析

朱丽伟，边宇卓

（齐齐哈尔工程学院大学 物理教研室，黑龙江 齐齐哈尔，161005）

1 描绘静电场理论依据

直接测量电场线有以下困难：1.由于没有通电回路，电流表、电压表失去作用；2.测量探针等器件在工作时会引入新的电场，新电场的引入会使原有电场发生畸变，从而影响数据结果的准确性。为了克服以上困难才采用电流场代替静电场[1]。

模拟法的要求有：1.状态或过程中有相对应的两组物理量；2.在两种状态或过程中的物理量满足数学形式基本相同的方程和边界条件[2]。本实验就是利用模拟法，用容易测量的稳恒电流场来替代不便测量的静电场。根据模拟法的要求及理论依据，推导出在一定条件下物理量遵循物理规律[3]。

由表1可知，各物理量成对应关系，满足用电流场模拟描绘静电场，电流场中有许多电位相等的点可描绘成等势面，等势面可变成等位线，根据电场线和等位线正交关系，即可画出电场线，这就形象地表示出静电场的分布。

表1 静电场与稳恒电流场物理方程

2 利用开放性实验环境测电场线

2.1 开放性实验环境

《静电场描绘》实验属于验证性实验，需要学生掌握基本实验技能和仪器操作；通过多次独立完成实验的锻炼，逐步提高学生分析问题与解决问题的能力[4]。因此，笔者所在的学校创造了开放性实验环境，供学生们参与实验。

2.2 开放实验操作流程

开放性实验的操作流程采用线上课前预习——课中实验操作和数据记录——课后数据处理和实验报告上交——教师批阅点评的评价体系。具体操作是：学生通过学校开放实验系统预约平台登录，预约《静电场描绘》实验项目，提前保证了每人一套实验的仪器，正式开课前，学生可通过平台上传预习报告并签到，还可通过平台观看教师录制的教学视频，通过视频的预习可考查学生对该实验的理解情况，例如：考查学生对本次实验涉及的物理概念和所使用的实验器材是否了解；考查本实验的实验原理、实验内容和实验步骤；通过考查结果测量学生是否可到实验室进行实验操作。进入实验室后，按要求内容操作，完成实验数据的测量和记录，完成实验后将实验仪器进行规整，填写实验使用记录，课后完成数据处理和思考题的回答，并在规定的时间内上传实验报告于教学平台，老师通过系统完成该学生的实验报告批阅以及评语。

3 实验过程及数据处理分析

3.1 实验仪器

本实验采用DC—A型描绘仪，该仪器由导电微晶、固定支架、同步探针等组成。

3.2 实验过程

为了产生稳恒电流场，在电极板正负端和电源的正负端分别插入红黑接线柱。同步探针及电源输出端相连接，调节最大稳恒电压值10V，探针在等量异号电荷电极板上移动，寻找电流场中电位相等的点，让探针在两极间慢慢移动，依次测出电压分别为8.0V、6.0V、4.0V、2.0V的等势线，每一条等势线找8个测量点，描绘每条等位线上各测试点画出等位线。随后依据等位线与电场线正交的原理，在坐标纸上画出电场线，并标明每一条等位线的电压值。

3.3 数据处理

采用模拟方法探针在等量异号电极板上依次找出8V、6V、4V、2V各八个坐标值。记录各点在电极板的坐标位置，如表2所示。

表2 等量异号电极板电势坐标

3.4 实验结果分析

实验所得等位线及电场线如图1所示，其等位线是以中垂线为轴心的对称分布曲线。电位大的等位线弯曲程度较大，弯曲方向与接近的电荷方向一致；电位小的等位线弯曲程度趋于直线因为电位值与中垂线的电位值接近。根据等位线确定正负电荷所在位置，正电荷在电位线大的外侧，负电荷在等位线小的外侧。依据电场线与等位线处处正交垂直关系，电场线是从正电荷出发，终止于负电荷的有方向的线。通过实验结果得到的电场分布图形与原理图相似，可以证明稳恒电流场是可以模拟静电场的。

图1 两个带电系统等位线与电场线实验示意图

4 结语

在开放实验环境下，学生采用电流场模拟静电场的方法验证电场线与等位线关系，使难于观察的实验变得简单。通过验证该实验掌握了理论课中关于电场线特点、电场线和等位线处处正交关系的知识点，加深了对理论知识的认知与理解，同时培养了动手能力。