實(shí)驗(yàn)用描跡法畫(huà)出電場(chǎng)中平面上的等勢(shì)線

實(shí)驗(yàn)用描跡法畫(huà)出電場(chǎng)中平面上的等勢(shì)線第1頁(yè)/共21頁(yè)第46講實(shí)驗(yàn)：用描跡法畫(huà)出電場(chǎng)中平面上的等勢(shì)線

自主·夯實(shí)基礎(chǔ)自主預(yù)習(xí)輕松過(guò)關(guān)

名師點(diǎn)金本實(shí)驗(yàn)是中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中唯一的一個(gè)“模擬實(shí)驗(yàn)”，即利用導(dǎo)電紙中的恒定電流場(chǎng)模擬真空中的靜電場(chǎng).在穩(wěn)恒電流的情況下，無(wú)論是電荷分布還是電磁場(chǎng)都不隨時(shí)間變化，在均勻電介質(zhì)中，穩(wěn)恒電流的電場(chǎng)和靜電場(chǎng)遵循同樣的場(chǎng)規(guī)律.只要穩(wěn)恒電流場(chǎng)的空間電極形狀與邊界條件和靜電場(chǎng)產(chǎn)生的相同，就可以用電流場(chǎng)來(lái)代替靜電場(chǎng).正是這種模擬法使實(shí)驗(yàn)成為了可能，而且可以用來(lái)求解復(fù)雜的靜電場(chǎng)問(wèn)題.這是模擬法的重要意義！第2頁(yè)/共21頁(yè)

知識(shí)梳理一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

用描跡法畫(huà)出電場(chǎng)中一個(gè)平面上的等勢(shì)線.

二、實(shí)驗(yàn)原理

由于直接描繪靜電場(chǎng)中的等勢(shì)線非常困難，所以本實(shí)驗(yàn)利用恒定電流形成的電場(chǎng)來(lái)模擬靜電場(chǎng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)(恒定電流形成的電場(chǎng)與等量異號(hào)點(diǎn)電荷形成的電場(chǎng)形式相同)，從而研究平面上的電場(chǎng)的等勢(shì)線的分布情況.用導(dǎo)電紙上形成的穩(wěn)恒電流場(chǎng)來(lái)模擬靜電場(chǎng)，當(dāng)兩探針與導(dǎo)電紙上電勢(shì)相等的兩點(diǎn)接觸時(shí)，與探針相連的靈敏電流表中通過(guò)的電流為零，指針不偏轉(zhuǎn)，從而可以利用電流表通過(guò)探針找到電流場(chǎng)中的等勢(shì)點(diǎn)，并依據(jù)等勢(shì)點(diǎn)描繪出等勢(shì)線.第3頁(yè)/共21頁(yè)

三、實(shí)驗(yàn)器材

學(xué)生低壓直流電源（6V蓄電池一個(gè)或4節(jié)1.5V的干電池串聯(lián)）、靈敏電流表、開(kāi)關(guān)、導(dǎo)電紙、白紙、復(fù)寫(xiě)紙、圓柱形金屬電極兩個(gè)、探針兩支、圖釘、導(dǎo)線若干、木板.關(guān)于靈敏電流表的幾點(diǎn)說(shuō)明：

1.靈敏電流表只能用來(lái)檢驗(yàn)微弱電流，一般被測(cè)電流不超過(guò)幾百微安.

2.靈敏電流表的零刻度在刻度盤(pán)的中央，將它串聯(lián)在電路中時(shí)，電流可以從正接線柱流入，也可以從負(fù)接線柱流入.使用前，一般要判斷電流表指針偏轉(zhuǎn)方向跟所通過(guò)的電流方向間的關(guān)系.第4頁(yè)/共21頁(yè)3.靈敏電流表的刻度是均勻的.4.電流表不能長(zhǎng)期連接在電路中，停止實(shí)驗(yàn)時(shí)，應(yīng)立即斷開(kāi)電路，以保護(hù)電流表.

四、實(shí)驗(yàn)步驟1.安裝實(shí)驗(yàn)裝置.在平整的木板上依次鋪放白紙、復(fù)寫(xiě)紙、導(dǎo)電紙各一張，導(dǎo)電紙有導(dǎo)電物質(zhì)的一面向上，再用圖釘把它們固定在木板上(如圖46-1所示)；在導(dǎo)電紙上放兩個(gè)跟它接觸良好的圓柱形電極，兩極間的距離約為10cm，電壓約為6V.再?gòu)囊粋€(gè)靈敏電流表的兩個(gè)接線柱引出兩個(gè)探針.

圖46-1第5頁(yè)/共21頁(yè)

2.選基準(zhǔn)點(diǎn).在導(dǎo)電紙平面兩極的連線上，選取間距大致相等的五個(gè)點(diǎn)作為基準(zhǔn)點(diǎn)，并用探針把它們的位置復(fù)印在白紙上.

3.探測(cè)等勢(shì)點(diǎn).將兩個(gè)探針?lè)謩e拿在左右手中，用左手中的探針跟導(dǎo)電紙上的某一基準(zhǔn)點(diǎn)接觸，然后在導(dǎo)電紙平面兩極連線的一側(cè)，距此基準(zhǔn)點(diǎn)1cm處再選一個(gè)點(diǎn)，在此點(diǎn)將右手拿著的探針跟導(dǎo)電紙接觸時(shí)，一般會(huì)看到電流表的指針有偏轉(zhuǎn)，左右移動(dòng)探針的位置，直至找到一點(diǎn)，使靈敏電流表的指針沒(méi)有偏轉(zhuǎn)為止，說(shuō)明這個(gè)點(diǎn)跟基準(zhǔn)點(diǎn)的電勢(shì)相等.用探針把這個(gè)點(diǎn)的位置復(fù)印在白紙上.照上述方法，在這個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)的兩側(cè)，各探測(cè)出五個(gè)等勢(shì)點(diǎn)，相鄰等勢(shì)點(diǎn)大約相距1cm.用同樣的方法，探測(cè)出另外四個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)的等勢(shì)點(diǎn).第6頁(yè)/共21頁(yè)

4.畫(huà)等勢(shì)線.取出白紙，根據(jù)五組等勢(shì)點(diǎn)畫(huà)出五條平滑的曲線，它們就是等勢(shì)線.(如圖46-2所示)

圖46-2

五、注意事項(xiàng)

1.靈敏電流表應(yīng)選擇零刻度在正中間的那種.

2.應(yīng)由下而上依次鋪放白紙、復(fù)寫(xiě)紙、導(dǎo)電紙，導(dǎo)電紙有導(dǎo)電物質(zhì)的一面應(yīng)朝上，并用圖釘把三層紙一起固定在平整的木板上，且兩個(gè)電極和三層紙的相對(duì)位置不變.

3.在開(kāi)始實(shí)驗(yàn)時(shí)把兩探針與AB連線上的兩點(diǎn)接觸，以確第7頁(yè)/共21頁(yè)定指針偏轉(zhuǎn)方向與電流經(jīng)過(guò)表方向的關(guān)系.在尋找等勢(shì)點(diǎn)時(shí)就可根據(jù)指針的偏轉(zhuǎn)方向確定右手探針接觸位置的電勢(shì)是偏高還是偏低，從而確定應(yīng)該移動(dòng)的方向.

4.探測(cè)等勢(shì)點(diǎn)不要靠近導(dǎo)電紙的邊緣，因?yàn)閷?dǎo)電紙邊緣處的等勢(shì)線會(huì)變形.

5.在兩電極連線上應(yīng)取奇數(shù)個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn).

6.在探測(cè)與某一基準(zhǔn)點(diǎn)電勢(shì)相等的其他各點(diǎn)時(shí)，與該基準(zhǔn)點(diǎn)相接觸的探針要固定不動(dòng).

7.絕不允許兩探針?lè)謩e觸到兩電極上，以防燒壞電流表.

8.描繪的等勢(shì)線必須是平滑曲線，不能畫(huà)成折線.六、誤差分析

1.所使用的電流表的精度是本實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生誤差的主要因素第8頁(yè)/共21頁(yè)之一，因此在條件允許的情況下，要盡可能使用精度高的電流表.

2.導(dǎo)電紙與電極是否接觸良好也是本實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生誤差的主要因素之一，對(duì)此，安裝電極時(shí)要加以注意.

3.導(dǎo)電紙要均勻，紙上導(dǎo)電性要一致.

4.圓柱形電極的大小也會(huì)給本實(shí)驗(yàn)帶來(lái)誤差，圓柱形電極應(yīng)選擇直徑大小一樣的扁平圓柱體.

創(chuàng)新·方法探究提煉方法展示技巧

題型方法一、對(duì)實(shí)驗(yàn)原理的理解

例１如圖46-3所示，在“用電流場(chǎng)模擬靜電場(chǎng)描繪電場(chǎng)中等勢(shì)線”的實(shí)驗(yàn)中，應(yīng)該選用的器材是

.(用器第9頁(yè)/共21頁(yè)材前的字母表示)

A.6V的交流電源

B.6V的直流電源

C.100V的直流電源

D.量程為0.5V，零刻度在刻度盤(pán)中央的電壓表

E.量程為0.6mA的電流表

F.量程為300μA，零刻度在刻度盤(pán)中央的電流表

(1)在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，要把復(fù)寫(xiě)紙、導(dǎo)電紙、白紙鋪放在木板上，它們的順序自上而下是

、

、

.

(2)在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，按下開(kāi)關(guān)，接通電路.若一個(gè)探針與基準(zhǔn)點(diǎn)O接觸，另一個(gè)探針已分別在基準(zhǔn)點(diǎn)O的兩側(cè)找到了實(shí)圖46-3第10頁(yè)/共21頁(yè)驗(yàn)所需的兩點(diǎn)a、b(如圖46-3所示)，則當(dāng)此時(shí)探針與a點(diǎn)接觸時(shí)，電表的指針應(yīng)

(“左偏”、“右偏”或“指零”)；當(dāng)此探針與b點(diǎn)接觸時(shí)，電表的指針應(yīng)

(“左偏”、“右偏”或“指零”).

【解析】要用直流電源形成穩(wěn)恒電流場(chǎng)來(lái)模擬靜電場(chǎng)，應(yīng)選6V的直流電源.要用探針尋找等勢(shì)點(diǎn)，電流表靈敏度要高，指針能向左、向右偏轉(zhuǎn).導(dǎo)電紙應(yīng)在最上面且涂有導(dǎo)電物質(zhì)的面向上，以便用探針尋找等電勢(shì)點(diǎn)，白紙是為了記錄等勢(shì)點(diǎn)的，應(yīng)在下面，復(fù)寫(xiě)紙應(yīng)在二者之間.實(shí)驗(yàn)所需要的點(diǎn)就是等勢(shì)點(diǎn)，電表接在等勢(shì)點(diǎn)間，指針不偏轉(zhuǎn)，即指零.

【答案】BE

(1)導(dǎo)電紙復(fù)寫(xiě)紙白紙(2)指零指零第11頁(yè)/共21頁(yè)

【點(diǎn)評(píng)】這道題要求根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理能選擇正確的儀器并能熟悉操作，并考查對(duì)電勢(shì)相等的點(diǎn)及其意義的理解.如果沒(méi)有獨(dú)立做這個(gè)實(shí)驗(yàn)，或者沒(méi)有認(rèn)真地做這個(gè)實(shí)驗(yàn)，很難記清實(shí)驗(yàn)中所用的器材，更談不上正確地選擇儀器和操作.同時(shí)要注意把理論知識(shí)的學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)結(jié)合起來(lái).學(xué)習(xí)了電勢(shì)相等的兩點(diǎn)間沒(méi)有電勢(shì)差，應(yīng)想到當(dāng)用電流表連接于沒(méi)有電勢(shì)差的兩點(diǎn)間時(shí)，電流表的指針將不偏轉(zhuǎn)（即指零），做實(shí)驗(yàn)時(shí)，正好用這個(gè)實(shí)驗(yàn)來(lái)檢驗(yàn)一下.

二、如何尋找等勢(shì)點(diǎn)

例2

圖46-4所示為描述電場(chǎng)中等勢(shì)線的裝置，圖中A、

N、C、D、B相鄰兩點(diǎn)的間距相等，其中A、B為金屬圓柱，第12頁(yè)/共21頁(yè)當(dāng)電流表從正接線柱流入表時(shí)，其指針向正接線柱一側(cè)偏轉(zhuǎn).

圖46-4（1）當(dāng)表指針

時(shí)，說(shuō)明探針?biāo)佑|的兩點(diǎn)是等勢(shì)點(diǎn).（2）當(dāng)探針Ⅰ接在D點(diǎn)，探針Ⅱ接在某點(diǎn)時(shí)，表指針偏向負(fù)接線柱一側(cè)，為了尋得等勢(shì)點(diǎn)，探針Ⅱ應(yīng)向

移才能尋得等勢(shì)點(diǎn).

【解析】（1）因?yàn)閮牲c(diǎn)電勢(shì)相等時(shí)無(wú)電流，所以當(dāng)表指針指零時(shí)，說(shuō)明探針?biāo)佑|的兩點(diǎn)是等勢(shì)點(diǎn).第13頁(yè)/共21頁(yè)（2）表指針偏向負(fù)接線柱一側(cè)，說(shuō)明電流是從負(fù)接線柱流入表，即是由D點(diǎn)流入，此時(shí)探針Ⅱ與導(dǎo)電紙的觸點(diǎn)電勢(shì)比D點(diǎn)低，在導(dǎo)電紙上自右向左電勢(shì)逐漸漸降低.要使探針Ⅱ所接的觸點(diǎn)與探針Ⅰ接在的D點(diǎn)等電勢(shì)，應(yīng)將探針Ⅱ向右移動(dòng).

【答案】（1）指零（2）右

【點(diǎn)評(píng)】先確定指針偏轉(zhuǎn)方向與電流流向的關(guān)系，這樣可以為實(shí)驗(yàn)帶來(lái)較大的方便.體驗(yàn)成功

1.（2009年湖北鄂州高中模擬）在“用描跡法畫(huà)出電場(chǎng)中平面上的等勢(shì)線”的實(shí)驗(yàn)中，為了確定等勢(shì)點(diǎn)，下列電表中最好選用(

)第14頁(yè)/共21頁(yè)

A.量程為3V，零刻度在刻度盤(pán)中央的電壓表

B.量程為0.6A，零刻度在刻度盤(pán)中央的電流表

C.量程為300μA，零刻度在刻度盤(pán)中央的電流表

D.量程為300μA，零刻度在刻度盤(pán)最左邊的電流表

【解析】電表的靈敏度越高，實(shí)驗(yàn)誤差越小.

【答案】C

2.（2009年長(zhǎng)沙一中檢測(cè)）下列措施不會(huì)影響所描繪的等勢(shì)線的形狀的是(

)

A.把直流電源的電壓變?yōu)樵瓉?lái)的兩倍

B.把直流電源改為交流電源

C.把圓柱形電極改為長(zhǎng)方形電極

D.把靈敏電流表?yè)Q成內(nèi)阻很大的電壓表，利用電壓表探測(cè)基準(zhǔn)點(diǎn)的等勢(shì)點(diǎn)第15頁(yè)/共21頁(yè)

【解析】等勢(shì)線的形狀是一定，不會(huì)因電源電壓的變化而改變.

【答案】AD

3.（2009年衡水中學(xué)調(diào)研）在“用電流場(chǎng)模擬靜電場(chǎng)描繪電場(chǎng)中的等勢(shì)線”的實(shí)驗(yàn)中，圖46-5所示的情況中可以實(shí)現(xiàn)的是(

)

圖46-5

A.圖甲中，圓柱形電極A、B均接電源正極，用以模擬等量正電荷的電場(chǎng)

B.圖乙中，圓柱形電極A接電源正極，圓環(huán)形電極B接電電源負(fù)極，用以模擬正點(diǎn)電荷的電場(chǎng)第16頁(yè)/共21頁(yè)

C.圖丙中，兩平行的長(zhǎng)方形電極分別接電源的正負(fù)極，用以模擬勻強(qiáng)電場(chǎng)

D.圖丁中，圓柱形電極A接電源負(fù)極，用以模擬負(fù)點(diǎn)電荷的電場(chǎng)

【解析】只要能夠形成電流，就可以用恒定電流的電流場(chǎng)來(lái)模擬靜電場(chǎng)，描繪等勢(shì)線.

【答案】BC

4.（2009年北師大附中周測(cè)）在“用電流場(chǎng)模擬靜電場(chǎng)描繪電場(chǎng)中等勢(shì)線”的實(shí)驗(yàn)中，如圖46-6所示，圖中所用的電表指針偏轉(zhuǎn)方向與流入電流的關(guān)系是：當(dāng)電流從正接線柱流入電表時(shí)，指針偏向正接線柱一側(cè).一位學(xué)生用這個(gè)電表探測(cè)基準(zhǔn)點(diǎn)2兩側(cè)的等勢(shì)點(diǎn)時(shí)，把接電表正接線柱的探針E1接第17頁(yè)/共21頁(yè)觸基準(zhǔn)點(diǎn)2，把接電表負(fù)接線柱的探針E2接觸紙上的某一點(diǎn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)表的指針發(fā)生了偏轉(zhuǎn)，為了探測(cè)到等勢(shì)點(diǎn)，則（）

圖46-6

A.若電表指針偏向正接線柱一側(cè)，E2應(yīng)右移

B.若電表指針偏向正接線柱一側(cè)，

E2應(yīng)左移

C.若電表指針偏向負(fù)接線柱一側(cè)，

E2應(yīng)右移

D.若電表指針偏向負(fù)接線柱一側(cè)，

E2應(yīng)左移第18頁(yè)/共21頁(yè)

【解析】因圓柱形電極A、B分別與電源的正負(fù)極相連，所以導(dǎo)電紙上由A到B電勢(shì)逐漸降低，電表指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)，說(shuō)明探針E1、E2所接觸的兩點(diǎn)電勢(shì)不等，存在電勢(shì)差.根據(jù)電表指針偏轉(zhuǎn)方向與流入的電流方向可知：若指針偏向正接線柱一側(cè)，說(shuō)明探針E2接觸點(diǎn)的電勢(shì)較低，E2應(yīng)左移；若指針偏向負(fù)接線柱一側(cè)，說(shuō)明探針E2接觸點(diǎn)的電勢(shì)較高，E2應(yīng)右移.

【答案】BC

5.（2009年重慶八中模擬）均勻?qū)щ娂埳戏胖脙善叫械拈L(zhǎng)方形銀條，如圖46-7甲所示，兩銀條上的A0和B0點(diǎn)連接電動(dòng)勢(shì)為6V的電池，一理想的負(fù)接線柱接A0，正接線柱接一探針P.

圖46-7甲第19頁(yè)/共21頁(yè)（1）當(dāng)P接于B1時(shí)，電壓表的示數(shù)是多少？將P沿B1B2移動(dòng)會(huì)觀察到什么現(xiàn)象？