跟踪法在平面电场中绘制等电点线实验教学的改进_石墨论文

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在高中物理电子实验中，由于对静电场直接进行测量很困难，故采用易于测量的电流场模拟法。在实验时，我们用伏特表或其他仪器探测出电流场中若干组等电势点，据此描绘出若干条等势线，依据等势线再画出电力线。我们尝试了用不同器材进行这个实验，以减少实验误差。

一、用石墨导电纸

电极用铜、铝、铁均可，与导电纸的接触面应平整光洁。如模拟一个点电荷，则电极用一个小圆柱A（直径约1cm）和大圆环B（内径约15～20cm），圆柱置于圆环的中心，如图1所示。

图1 实验图

如模拟两个等量异种电荷，则两个电极A，B都用小圆柱（直径约1.5cm），如图2所示。导电纸可裁成16开大小，有石墨层的一面向上，在导电纸下加一薄橡胶垫或几层白报纸，再放到硬而平的绝缘板上。接着把电极放到导电纸上，并使它对导电纸的压强不小于250g/，以保证电极与石墨层接触良好。我们可用螺钉将电极紧固在板上，也可采取其他的压装方法。

图2 电路图

电路接法如图2所示。滑动变阻器R用200Ω（或1750Ω）的，接成分压器，使两极A，B间电压为直流电压，=8V。若进行图1所示的实验，电路类似，但要使=5V。操作主要分两步进行。

1.依所设定的几个电势值，在导电纸上各测定出一个基准点

为了在完成实验后能看出等势线密度与电场强度的定性关系，应取相邻各等势线间的电势差相等。设电极B处的电势为零，每隔1V作一等势线，如图3所示，则应先在导电纸上测定出电势分别为1V，2V，3V，…，7V的a，b，c，…，g各基准点的位置。在测定时，伏特表按图2所示的接法，用探针P来探测确定。由于石墨层的电阻率相当大（取宽1cm、长10cm的一条导电纸，实测其电阻值约10kΩ），用前述尺寸的导电纸和电极进行实验时，只要探针与纸上任何较远的点P接触，这点与电极B之间的电阻值都有数千欧。因而若用J0408型直流伏特表的15V挡接入P，B间，由于此挡内阻只有15kΩ，就会产生显著的分流作用，使伏特表的示值小于P点电势的真值，并导致电势分布发生变化，破坏了对称性，从而造成测量误差，而且这种误差是变动的。如图4所示，若在探测点时的伏特表的示值相同，因与B间和与B间的电阻值不同，伏特表分流影响的大小也不同，故在未接入伏特表时并非等势点，这对下面第二步的测量也不利，因此，适合使用的是量程为10V或25V、内阻高达200kΩ以上的伏特表，即要求其灵敏度不低于10kΩ／V或20kΩ／V。我们知道，中学分组仪器中未配备这类电表，而普通小型万用表的直流电压挡灵敏度较低，如J0411型或U-10型只有2kΩ／V，它的50V挡内阻只有100kΩ；250V挡内阻虽然为500kΩ，但分度值为5V，因而无法准确地读出1V值，导致无法使用。

图3 示意图

图4 电路图

较好的解决办法是用J2459型学生示波器来代替伏特表，它的Y轴输入电阻为1MΩ，分流作用可以忽略。在使用时，X轴可不加扫描（扫描范围旋钮扳到“外X”），靠荧光屏上的光点指示电压，Y轴输入耦合开关扳向“D，C”，衰减挡位取“10”。在没有待测电压输入时，先调节垂直位移旋钮，使光点与坐标最下一条横线重合，则这条刻线就表示0V。再用图2中已调准的分压器所输出的8V电压做基准，接入示波器，电压的正极接“Y输入”，负极接“地”，调节Y增益旋钮，使光点与坐标最上的一条刻度线重合，由于Y轴坐标刻度共8格，故每格代表1V电压。这样，示波器就可以作为一个量程为8V的电压表了。在上述调整中，轴也可加以扫描，即把扫描范围旋钮扳到任何一个频率范围，荧光屏上呈现的将是水平亮线，靠这条亮线上移的格数来指示电压。然后，如图5所示那样把示波器的“地”接电极B，“Y输入”接探针P，这样就可以使用了。

图5 电路图

2.分别探测出每一个基准点的等势点组

每个电极圆周上各点是等电势的，设B极为0V，则A极为8V，（图1中A极为5V）。这一步的任务是测出以a，b，c，…，g为基准点的各组等势点。若仍采用图5的方法，虽移动探针P可测出若干个示值相同的点，即等势点，但因示波器在上述工作状态下的分度值为0.2V（每格5分度），灵敏度低，加之亮点大（或亮线粗），难以分辨电势的微小差异，将产生较大的测量误差。改进的办法是采用“平衡法”，如图6所示，仍用示波器作平衡指示。示波器的衰减旋钮置于“1”，Y增益旋钮沿顺时针方向旋到底，调节垂直位移旋钮并使光点（或亮线）在坐标的正中。“Y输入”和“地”分别接探针，当两探针接触到导电纸上的等势点时，荧光屏上的亮点（或亮线）不发生上下移位。在做如图1所示的实验时，也照上述方法进行。实验时为避免外界电磁场的干扰信号输入示波器，应将由示波器接探针的导线改用屏幕线，同时示波器外壳接上良好的地线。

图6 电路图

记录等势点的方法：可用带绝缘柄的尖锐探针，在纸上测到的等势点处刺孔；也可在导电纸下放一张复写纸，再在复写纸下放一张白纸，当探到等势点时，用钝探针向下压，白纸上自然就印出了个点痕。

二、用盐水纸

石墨纸也可用盐水纸来代替。用质量分数约10%的食盐水把两层吸水性好的白报纸充分而均匀地浸湿，附着在水平玻璃板上，用手赶出纸下的气泡即可使用了。它在1h内不会变干，虽然水分逐渐蒸发，但各处仍是均匀的，对实验结果并无影响。电极和前法相同，使它和湿纸易于充分接触，可只依靠自重压在纸上。记录等势点的方法很简便，可用圆珠笔芯做探针，把导线接在铜头上，探出等势点后，就用圆珠笔在该处纸上画出标记。

这时如使用直流电源，就会使盐水电解，造成离子分布不均，所以应改用交流电源。我们可用6V或8V的50Hz交流电，由J1202型学生电源供给；也可用音频交流电，由J2465型学生信号源供给。这两种方法都不必用变阻器分压，而将电源直接连到电极A，B上即可。

用石墨导电纸的一大优点是电极与石墨不发生化学反应，图2中伏特表示值就是P点与B极间的电势差。改用盐水纸，金属电极、金属探针和盐水间却要发生化学反应，产生电极电势，使和金属接触的盐水薄层中发生电势跃变，一般约为零点几伏。因而1V，2V，3V，…各等势线在空间的位置就和用导电纸不同了，并且伏特表的示值也不等于P点和B极间的电势差。所以，在用盐水纸时，我们就不测定各等势线的电势值，当然也就不观察等势线密度和场强的关系了。实验操作仅是测出一些任意的等势线，然后据此画出电力线，这样得到的电力线形状和用石墨导电纸时是一样的。

在探测等势点时，必须采用“平衡法”。仍用示器波做平衡指示，Y轴输入耦合开关要扳在“A，C”位置，衰减旋钮置于“1”，Y增益旋钮顺时针旋到底，X轴加上频率合适的扫描，使之能显示出所测交流电的2～3个完整周期的波形，当探测到等势点时，荧光屏上仍为直线；如偏离等势点，则显出微小的交流电波形。我们也可用高阻抗耳机（直流电阻800Ω或1500Ω）做平衡指示，人耳对1000Hz的声音听觉较灵敏且不觉刺耳，故实验以选择1000Hz的音频交流电源为好。当耳机两端接触到等势点时，几乎听不到声音；若偏离等势点，则声音明显变大。