大學物理實驗用穩(wěn)恒電流場模擬靜電場ppt課件

1、一、實驗目的一、實驗目的1.了解模擬實驗法的適用條件。了解模擬實驗法的適用條件。2.能用模擬法求出給定電極同軸圓柱電能用模擬法求出給定電極同軸圓柱電纜、兩點電荷的電場分布。纜、兩點電荷的電場分布。Page 81 實驗實驗7 用穩(wěn)恒電流場模擬靜電場用穩(wěn)恒電流場模擬靜電場在工程技術上，需求知道電極系統(tǒng)的電場分布情況在工程技術上，需求知道電極系統(tǒng)的電場分布情況才干研討引入新電極后才干研討引入新電極后對電子運動的影響對電子運動的影響目的：了解電子或帶電質點在該電場中的運動規(guī)律目的：了解電子或帶電質點在該電場中的運動規(guī)律怎樣知道電場分布？怎樣知道電場分布？才干研討電子束在示才干研討電子束在示波管中的聚集

2、和偏轉波管中的聚集和偏轉例如，在示波管中，例如，在示波管中，知道電極電場分布知道電極電場分布在電子管中，在電子管中，知道電場分布知道電場分布二、實驗原理二、實驗原理電場電場分布分布解析法：解析法：模擬實驗法：模擬實驗法：少數幾種簡單情況少數幾種簡單情況精度不高，但對于普通工程精度不高，但對于普通工程設計來說，已能滿足要求設計來說，已能滿足要求什么是模擬法？什么是模擬法？在科學實驗研討中運用廣泛在科學實驗研討中運用廣泛易于實現，易測的物理形狀或過程易于實現，易測的物理形狀或過程不易實現，不易測的物理形狀或過程不易實現，不易測的物理形狀或過程模擬模擬模擬實驗法：模擬實驗法：a. 物理模擬物理模擬

3、：堅持同一物：堅持同一物理場本身，把一樣的物理景理場本身，把一樣的物理景象象/過程減少或放大模擬再現。過程減少或放大模擬再現。如如“風洞的飛機模型，模風洞的飛機模型，模擬實踐飛機在大氣中飛行。擬實踐飛機在大氣中飛行。b. 數學模擬：兩個不同本質的物理過程，用同數學模擬：兩個不同本質的物理過程，用同一個數學方程來描畫。一個數學方程來描畫。 直接測靜電場存在困難：直接測靜電場存在困難： a. 靜電場中沒有電流，電磁式電靜電場中沒有電流，電磁式電表不會偏轉。表不會偏轉。 b. 假設探針伸入靜電場，探針會假設探針伸入靜電場，探針會產生感應電荷，使原電場產生顯著畸變。產生感應電荷，使原電場產生顯著畸變。

4、為什么不直接測靜電場，為什么不直接測靜電場，而要用穩(wěn)恒電流場模擬靜電場？而要用穩(wěn)恒電流場模擬靜電場？1 1、電流場與靜電場比較：、電流場與靜電場比較：等效性等效性? ?能否可以用穩(wěn)恒電流場模擬靜電場？能否可以用穩(wěn)恒電流場模擬靜電場？穩(wěn)恒電流場與靜電場能否具備模擬條件？穩(wěn)恒電流場與靜電場能否具備模擬條件？穩(wěn)恒電流場：穩(wěn)恒電流場：電流延續(xù)方程電流延續(xù)方程兩場服從的規(guī)律：兩場服從的規(guī)律：數學方式一樣，數學方式一樣，且邊境條件一樣且邊境條件一樣故可用電流場模擬靜電場數學模擬故可用電流場模擬靜電場數學模擬0(0LsE dLE ds 閉合曲線）（閉合曲面）0(0Lsj dLjj dsj 閉合曲線，電流線密

5、度）（閉合曲面，電流面密度）靜電場：靜電場：電場強度電場強度那么電場、電位分布完全相類似那么電場、電位分布完全相類似同軸圓柱電纜的靜電場同軸圓柱電纜的靜電場如何實現電流場模擬靜電場？如何實現電流場模擬靜電場？穩(wěn)恒電流場穩(wěn)恒電流場模擬模擬1rr2rr1r2r22121112lnln2ErrrUUKrr22122112lnln2IErrrIUUKrr電荷線密度電荷線密度真空介電常數真空介電常數電導率電導率圓柱形電流場和電位圓柱形電流場和電位同軸電纜靜電場和電位同軸電纜靜電場和電位模擬模擬類似性類似性+同軸電纜靜電場推導過程不要求，了解同軸電纜靜電場推導過程不要求，了解 222EdsqqErlErl

6、qlEr 由高斯定律，電通量 電荷線密度電荷線密度電荷線密度真空介電常數真空介電常數同軸電纜電位推導過程不要求，了解同軸電纜電位推導過程不要求，了解 21lnrUKr2211212221211121122ln,0,2ln22lnln22rrrrrrUUUEdrdrrrUrrUUKrrrrrUdrrr 設則任一 處，212212211122ln,0ln22rrjEIIjEErrrrIIU UUEdrUUrr 歐姆定律的微分形式：電流密度 設，則圓柱形電流場和電位穩(wěn)恒電流場推導不要求，了解圓柱形電流場和電位穩(wěn)恒電流場推導不要求，了解 電導率電導率U1=10V，U2=0Vr1=1.0cm，r2=10

7、.0cm2224.342ln 10()UUKrUKrrr eecm可見圓柱形電極的等位線是同心圓。可見圓柱形電極的等位線是同心圓。212212lnIErrUUKr圓柱形電流場和電位圓柱形電流場和電位場中任一半徑場中任一半徑r處的電位：處的電位：常數常數K2=10/ln10=4.34U1=10VU2=0V同軸圓柱電纜電場同軸圓柱電纜電場2、靜電場的測繪方法、靜電場的測繪方法場強場強E在數值上等于電位梯度，方向指向電位降落的方向。在數值上等于電位梯度，方向指向電位降落的方向。兩點電荷電場兩點電荷電場先測繪等位線，然后根據電力線與等位線正交的原理，畫先測繪等位線，然后根據電力線與等位線正交的原理，畫

8、出電力線。出電力線。電力線與等位線正交電力線與等位線正交留意：留意：電力線自正極電力線自正極出發(fā)終止于負出發(fā)終止于負極；極；兩電力線不會兩電力線不會相交。相交。等位線等位線電力線電力線留意：留意：先測等位線，再畫電力先測等位線，再畫電力線；線；電力線垂直等位線；電力線垂直等位線；電力線自正極出發(fā)終止電力線自正極出發(fā)終止于負極；于負極；兩電力線不會相交。兩電力線不會相交。兩等量異號點電荷的電場分布兩等量異號點電荷的電場分布等位線等位線電力線電力線等位線的間距等位線的間距確定電力線的疏密和指向確定電力線的疏密和指向籠統(tǒng)地反映籠統(tǒng)的電場籠統(tǒng)地反映籠統(tǒng)的電場三、實驗儀器三、實驗儀器1 1靜電場實驗儀一

9、套靜電場實驗儀一套 包括導電玻璃、包括導電玻璃、雙層固定支架、同步探針雙層固定支架、同步探針 2 2直流穩(wěn)壓電源直流穩(wěn)壓電源10V, 1A10V, 1A電源正負極電源正負極電壓表正極電壓表正極靜電場描畫儀公用電源靜電場描畫儀公用電源校正：作電源校正：作電源丈量：電壓表丈量：電壓表電源負極與電壓表負極等電勢電源負極與電壓表負極等電勢三、實驗內容 1測繪同軸圓柱電纜電場測繪同軸圓柱電纜電場 2. 測繪兩點電荷的電場測繪兩點電荷的電場四、實驗步驟四、實驗步驟接線：正極紅線，負極黑線相連接線：正極紅線，負極黑線相連1 1模擬無限長帶電圓柱體靜電場模擬無限長帶電圓柱體靜電場2.模擬無限長平行帶電直導線靜電場模擬無限長平行帶電直導線靜電場接線開電源在“校正”位調電壓10V在“測量”位開始測量上層固定記錄紙移動測筆手柄同軸電纜電場：找到10.0V、8.0V、6.0V、4.0V、2.0V、1.0V的等位線(每條等位線要求測出八個點)，并畫出電力線兩等量異號點電荷電場：找到5.0V、2.0V、3.0V、7.0V、8.0V的5條對稱的等勢線(每條等位線要求測出八個點)，并畫出電力線作等位線注明電壓和電力線作等位線注明電壓和電力線五、數據處置與作圖五、數據處置與作圖同軸圓柱電纜電場同軸圓柱電纜電場等