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

實(shí)驗(yàn)10

用描跡法畫出電場(chǎng)中平面上的等勢(shì)線一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康挠妹枸E法畫出電場(chǎng)中一個(gè)平面上的等勢(shì)線．二、實(shí)驗(yàn)原理用平面導(dǎo)電紙上的恒定電流場(chǎng)模擬真空中的靜電場(chǎng)，當(dāng)電場(chǎng)中與導(dǎo)電紙接觸的兩探針尖端的電勢(shì)差為零時(shí)，與探針相連的電流表中電流為零，從而可以通過(guò)探針找出電流場(chǎng)中的等勢(shì)點(diǎn)，并依據(jù)等勢(shì)點(diǎn)描出等勢(shì)線．三、實(shí)驗(yàn)器材學(xué)生用低壓直流電源或電池組(約6V)，靈敏電流表，開關(guān)，導(dǎo)電紙，復(fù)寫紙，白紙，圓柱形金屬電極兩個(gè)，探針兩支，圖釘，導(dǎo)線若干，木板．四、實(shí)驗(yàn)步驟(1)由下向上依次鋪放“三紙”并固定．(2)固定電極、連接電路(如圖1(1)所示)．(3)選取、復(fù)印五個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)．(4)探測(cè)各基準(zhǔn)點(diǎn)的等勢(shì)點(diǎn)．(5)根據(jù)等勢(shì)點(diǎn)(用平滑的曲線)描繪等勢(shì)線．如圖1(2)．圖1五、注意事項(xiàng)(1)靈敏電流計(jì)必須選零刻度在中央的．電源必須是直流穩(wěn)壓電源，電壓6V.(2)電流表允許通過(guò)的電流是很小的．一般不超過(guò)幾百μA，實(shí)驗(yàn)時(shí)若指針偏轉(zhuǎn)超過(guò)滿刻度，應(yīng)立即切斷電源，以防損壞電流表．(3)電流表不要接在電源上，以防偶然出現(xiàn)的大電流燒壞電流表．(4)幾種紙的順序：自下而上是白紙、復(fù)寫紙、導(dǎo)電紙，導(dǎo)電紙有導(dǎo)電物質(zhì)的一面向上．(5)兩圓柱形金屬電極要和導(dǎo)電紙良好接觸，且不能太靠近導(dǎo)電紙邊緣．(6)尋找等勢(shì)點(diǎn)的方法，應(yīng)從基準(zhǔn)點(diǎn)附近由近及遠(yuǎn)逐漸推移，不能大幅度移動(dòng)．(7)導(dǎo)電紙上的導(dǎo)電物質(zhì)很薄，尋找等勢(shì)點(diǎn)時(shí)，不要用探針在導(dǎo)電紙上劃動(dòng)，要用點(diǎn)接觸法．(8)描繪等勢(shì)線時(shí)要用平滑曲線將各等勢(shì)點(diǎn)連接起來(lái)，不能畫成折線．六、誤差分析(1)電流表的精度是產(chǎn)生誤差的主要因素之一．(2)導(dǎo)電紙是否符合要求也是產(chǎn)生誤差的主要因素之一(導(dǎo)電紙的電阻率應(yīng)遠(yuǎn)大于金屬電極的電阻率，且導(dǎo)電涂層要均勻)．(3)電極與導(dǎo)電紙是否接觸良好．(4)圓柱形電極的大小也會(huì)給實(shí)驗(yàn)帶來(lái)誤差．(一般選直徑為1cm的磨平銅柱作電極)題型一對(duì)實(shí)驗(yàn)步驟的考查[例1]如圖2所示，是“用描跡法畫出電場(chǎng)中平面上的等勢(shì)線”的實(shí)驗(yàn)裝置，其中a、g為________，分別用來(lái)模擬__________；當(dāng)電流從紅色探針流入靈敏電流表G時(shí)，其指針向右偏轉(zhuǎn)，如圖當(dāng)紅色探針接在e點(diǎn)時(shí)，黑色探針處于圖示位置，發(fā)現(xiàn)靈敏電流表指針向左偏轉(zhuǎn)，將黑色探針向__________移動(dòng)，就能找到其等勢(shì)點(diǎn)．圖2[分析]

利用電流的流動(dòng)特點(diǎn)去判斷，通過(guò)電流表的電流總是從高電勢(shì)處流向低電勢(shì)處．[解析]

a、g為電極，分別用來(lái)模擬正、負(fù)點(diǎn)電荷．已知當(dāng)電流從紅色探針流入電流表時(shí)，指針向右偏，現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)指針向左偏了，說(shuō)明電流從黑色探針流入電流表了，即黑色探針接觸的位置的電勢(shì)比e點(diǎn)高，又知左邊電勢(shì)比右邊高，要想找到和e點(diǎn)等勢(shì)的點(diǎn)，應(yīng)將黑色探針向右移動(dòng)．[答案]

電極正、負(fù)點(diǎn)電荷右規(guī)律總結(jié)：判斷探針移動(dòng)方向時(shí)，除搞清電流方向與電勢(shì)高低關(guān)系外，還須弄清：①哪點(diǎn)電勢(shì)高；②電流從哪個(gè)探針流入電流表；③電流表指針偏轉(zhuǎn)方向與電流方向間的關(guān)系．如圖3所示為描繪電場(chǎng)中平面上等勢(shì)線的裝置，圖中A、C、P、D、B等相鄰兩點(diǎn)間距相等，其中A、B為金屬圓柱．當(dāng)電流從正接線柱流入電流表G時(shí)，其指針向正接線柱一側(cè)偏轉(zhuǎn)．當(dāng)探針(Ⅰ)接在D點(diǎn)，探針(Ⅱ)接在導(dǎo)電紙上某點(diǎn)時(shí)，電流表G指針向負(fù)接線柱一側(cè)偏轉(zhuǎn)．為了盡快尋找等勢(shì)點(diǎn)，探針(Ⅱ)應(yīng)__________移動(dòng)．(選填“向左”或“向右”)圖3解析：如題圖所示，電流表指針向負(fù)接線柱一側(cè)偏轉(zhuǎn)，說(shuō)明電流是由負(fù)接線柱流入電流表，此時(shí)，探針(Ⅱ)與導(dǎo)電紙的觸點(diǎn)電勢(shì)比D點(diǎn)電勢(shì)高．觀察圖中實(shí)驗(yàn)裝置知，金屬圓柱A、B分別與電源負(fù)極、正極相接，在導(dǎo)電紙上自右向左各點(diǎn)電勢(shì)逐漸降低，要使探針(Ⅱ)尋找到與探針(Ⅰ)觸點(diǎn)D電勢(shì)相等的點(diǎn)，應(yīng)將探針(Ⅱ)向左移動(dòng)．答案：向左題型二對(duì)實(shí)驗(yàn)原理的考查[例2]如圖4所示，圖中給出的器材為：電源E(電動(dòng)勢(shì)為12V，內(nèi)阻不計(jì))、木板N(板上從下往上依次疊放白紙、復(fù)寫紙、導(dǎo)電紙各一張)，兩個(gè)金屬條A、B(平行放置在導(dǎo)電紙上，與導(dǎo)電紙接觸良好，用作電極)，滑動(dòng)變阻器R(其總阻值小于兩平行電極間導(dǎo)電紙的電阻)，直流電壓表V(量程為6V，內(nèi)阻很大，其負(fù)接線柱與B極相連，正接線柱與探針P相連)，開關(guān)S.現(xiàn)要用圖中儀器描繪兩平行金屬板AB間電場(chǎng)中的等勢(shì)線．AB間的電壓要求取為6V.

圖4(1)在圖中連線，畫成實(shí)驗(yàn)電路原理圖；(2)下面是主要的實(shí)驗(yàn)操作步驟，將所缺的內(nèi)容填寫在橫線上方．a(chǎn)．接好實(shí)驗(yàn)電路．b．________________________________________________________________________.c．合上S，并將探針P與A相接觸．d．________________________________________________________________________.e．用探針壓印的方法把A、B的位置標(biāo)記在白紙上．畫一線段連接AB兩極，在連線上選取間距大致相等的5個(gè)點(diǎn)作為基準(zhǔn)點(diǎn)，用探針把它們的位置壓印在白紙上．f．將探針與某一基準(zhǔn)點(diǎn)相接觸，__________，這一點(diǎn)是此基準(zhǔn)點(diǎn)的等勢(shì)點(diǎn)．用探針把這一點(diǎn)的位置也壓印在白紙上．用相同的方法找出此基準(zhǔn)點(diǎn)的其他等勢(shì)點(diǎn)．g．重復(fù)步驟f，找出其他4個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)的等勢(shì)點(diǎn)，取出白紙畫出各條等勢(shì)線．[分析]

本題關(guān)鍵要找到“描繪電場(chǎng)中等勢(shì)線”實(shí)驗(yàn)的原理和方法．圖5[解析]

(1)AB間電壓要求取為6V，而電源電動(dòng)勢(shì)為12V，所以變阻器必須作分壓器，電路連接如圖5所示．(2)b.把變阻器的滑動(dòng)觸頭移到靠近D端處；d.調(diào)節(jié)R，使電壓表讀數(shù)為6V；f.記下電壓表讀數(shù)，在導(dǎo)電紙上移動(dòng)探針，找出電壓表讀數(shù)與所記下的數(shù)值相同的另一點(diǎn)．[答案]

見解析規(guī)律總結(jié)：本題主要考查勻強(qiáng)電場(chǎng)等勢(shì)面的特點(diǎn)，以及用模擬等量異種電荷電場(chǎng)的相似方法模擬勻強(qiáng)電場(chǎng)，考查了對(duì)知識(shí)的遷移能力．“用描跡法畫出電場(chǎng)中平面上的等勢(shì)線”的實(shí)驗(yàn)中，在平整的木板上依次鋪放白紙、復(fù)寫紙和導(dǎo)電紙．在導(dǎo)電紙上平放兩個(gè)圓柱形電極A與B，分別與直流電源的正、負(fù)極接好，如圖6所示．若以A、B連線為x軸，A、B連線的中垂線為y軸，將一個(gè)探針固定在y軸上的某一點(diǎn)，沿x軸移動(dòng)另一個(gè)探針，發(fā)現(xiàn)無(wú)論怎樣移動(dòng)，靈敏電流表的指針都不偏轉(zhuǎn)，若電源及連線都是完好的，可能的故障是__________．將實(shí)驗(yàn)故障排除后，探針從BO間某處沿x軸向電極A移動(dòng)的過(guò)程中，電流表中指針偏轉(zhuǎn)的情況是__________．圖6解析：本題主要考查實(shí)驗(yàn)的基本原理及實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和實(shí)驗(yàn)故障的分析能力．導(dǎo)電紙涂導(dǎo)電物質(zhì)的一面朝下了；偏角逐漸減小到零，再反向偏轉(zhuǎn)，偏角逐漸變大．答案：見解析如圖7所示的電路圖，可測(cè)畫出點(diǎn)電荷的等勢(shì)線．用厚1mm的鋁板做一個(gè)內(nèi)徑為9cm，外徑為10cm的鋁環(huán)，將導(dǎo)電紙、復(fù)寫紙、白紙從上到下放好，在其上放上鋁環(huán)，在中心放上電極B，并使電極、鋁環(huán)、導(dǎo)電紙三者緊密接觸．鋁環(huán)與電極A相連，如圖7所示，當(dāng)閉合開關(guān)S，電流將從接線柱B成放射狀流向鋁環(huán)，形成一個(gè)放射狀的電流場(chǎng)．如何測(cè)畫出其中的等勢(shì)線？圖7解析：題中的電流場(chǎng)可用來(lái)模擬正點(diǎn)電荷形成的靜電場(chǎng)，尋找等勢(shì)點(diǎn)的方法與模擬等量異種電荷電場(chǎng)的方法類同．答案：在鋁環(huán)內(nèi)沿半徑取五個(gè)等間距的點(diǎn)，用靈敏電流表分別尋找這五個(gè)點(diǎn)的等勢(shì)點(diǎn)，用描跡法描出5條等勢(shì)線，即5組同心圓1．在“用描跡法畫出電場(chǎng)中平面上的等勢(shì)線”的實(shí)驗(yàn)中，在下列所給出的器材中，應(yīng)該選用的是(

)A．電壓為6V的交流電源B．電壓為2V的直流電源C．電壓為6V的直流電源D．電壓為100V的直流電源E．0～0.5V，零刻度在刻度盤中央的電壓表F．0～0.6mA的電流表G．0～300μA，零刻度在刻度盤中央的電流表解析：我們選用4～6V的直流電源，所測(cè)電流不會(huì)超過(guò)幾百微安．答案：CG2．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8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接觸基準(zhǔn)點(diǎn)2，把接電表負(fù)接線柱的探針E2接觸紙上某一點(diǎn)，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8A．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)左移解析：根據(jù)等量正、負(fù)點(diǎn)電荷等勢(shì)線的特點(diǎn)可判斷B、C正確．答案：BC3．關(guān)于探測(cè)等勢(shì)點(diǎn)的操作方法，下列說(shuō)法中正確的是(

)A．將兩個(gè)探針壓在導(dǎo)電紙上同時(shí)慢慢移動(dòng)，當(dāng)看見電流表指針沒有偏轉(zhuǎn)的時(shí)候，手就停止滑動(dòng)，并把兩個(gè)表筆的位置同時(shí)復(fù)印在白紙上，如此反復(fù)滑動(dòng)，便可得到許多等勢(shì)點(diǎn)，描出等勢(shì)線B．將一個(gè)探針始終與一個(gè)圓柱形電極接觸，讓另一個(gè)探針在導(dǎo)電紙上慢慢滑動(dòng)，每發(fā)現(xiàn)電流表指針指零時(shí)，探針就停下來(lái)，并把該位置復(fù)印在白紙上，把這些小點(diǎn)用平滑曲線連在一起，就是等勢(shì)線C．將一個(gè)探針壓在某一個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)上，讓另一個(gè)探針在導(dǎo)電紙上慢慢滑動(dòng)，滑到一個(gè)位置電流表指針無(wú)偏轉(zhuǎn)時(shí)，這點(diǎn)就是該基準(zhǔn)點(diǎn)的等勢(shì)點(diǎn)，把這一位置復(fù)印在白紙上后，就以這一點(diǎn)為新的基準(zhǔn)點(diǎn)，再探查新的等勢(shì)點(diǎn)，依次在每側(cè)得5個(gè)等勢(shì)點(diǎn)D．將一個(gè)探針壓在某一個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)上，讓另一個(gè)探針在導(dǎo)電紙上慢慢移動(dòng)，當(dāng)電流表指針無(wú)偏轉(zhuǎn)時(shí)，就找到一個(gè)等勢(shì)點(diǎn)，把這一位置復(fù)印在白紙上，然后再探查新點(diǎn)答案：D4．本實(shí)驗(yàn)中，可以用電壓表替代靈敏電流表，方法是：將電壓表一端接某一電極，另一端接探針與各基準(zhǔn)點(diǎn)接觸并在附近移動(dòng)，當(dāng)探針在基準(zhǔn)點(diǎn)時(shí)，記下電壓表的示數(shù)U，當(dāng)探針在基準(zhǔn)點(diǎn)附近移動(dòng)到某點(diǎn)時(shí)，若電壓表示數(shù)也為U，則說(shuō)明該點(diǎn)的電勢(shì)與基準(zhǔn)點(diǎn)電勢(shì)相同．在“用描跡法畫出電場(chǎng)中平面上的等勢(shì)線”的實(shí)驗(yàn)中，根據(jù)不同的實(shí)驗(yàn)原理應(yīng)相應(yīng)選取不同的測(cè)量電表，下列選項(xiàng)正確的是________．A．若用“等電勢(shì)差”描繪等勢(shì)線，用電壓表B．若用“等電勢(shì)”描繪等勢(shì)線，用靈敏電流表C．用靈敏電流表描繪等勢(shì)線時(shí)，兩探針可分別與電極接觸D．用電壓表描繪等勢(shì)線時(shí)兩探針可分別與電極接觸E．用電壓表描繪的等勢(shì)線與用電流表描繪的等勢(shì)線形狀不同解析：根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理可知A、B正確．兩探針?lè)謩e與電極接觸，電壓表示數(shù)為兩極間電壓并且不變，所以C、D不正確．等勢(shì)線形狀由場(chǎng)的分布決定而與測(cè)量方法無(wú)關(guān)，所以E不正確．答案：AB5．某校高中學(xué)生在做“用描跡法畫出電場(chǎng)中平面上的等勢(shì)線”實(shí)驗(yàn)中遇到了下列幾個(gè)問(wèn)題，請(qǐng)幫忙分析問(wèn)題出現(xiàn)的原因。(1)連接好線路后，無(wú)論怎樣移動(dòng)表針，靈敏電流表指針都不偏轉(zhuǎn)，可能原因是

.(2)在用靈敏電流表尋找等勢(shì)點(diǎn)的過(guò)程中，靈敏電流表指針左、右擺動(dòng)．很多次移動(dòng)探針才能找到某基準(zhǔn)點(diǎn)的一個(gè)等勢(shì)點(diǎn)，可能原因是

.(3)通過(guò)實(shí)驗(yàn)描繪出的等勢(shì)線出現(xiàn)畸形，可能原因是

.(4)實(shí)驗(yàn)時(shí)有些小組同學(xué)將兩電極都連在了電源的同一極上，想通過(guò)實(shí)驗(yàn)描繪出孤立正電荷(或負(fù)電荷)的等勢(shì)線，結(jié)果實(shí)驗(yàn)失敗，可能原因是

.解析：(1)忘記接通電源、電路處于斷路、電流表?yè)p壞、導(dǎo)電紙放反等．(2)實(shí)驗(yàn)前對(duì)等量異種電荷的電場(chǎng)等勢(shì)線特點(diǎn)了解不夠．盲目移動(dòng)探針尋找等勢(shì)點(diǎn)．(3)靈敏電流表不夠靈敏、導(dǎo)電紙導(dǎo)電層不夠均勻，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中實(shí)驗(yàn)線路接觸不良．(4)此時(shí)導(dǎo)電紙上不能形成電流，也沒有形成正電荷(或負(fù)電荷)的電場(chǎng)，可用一個(gè)導(dǎo)體環(huán)和放在圓心的一個(gè)電極，分別連接電源的正、負(fù)極來(lái)描繪負(fù)、正點(diǎn)電荷形成的等勢(shì)線．答案：見解析6．圖9(1)所示是靈敏電流表的內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理圖，圖9(2)所示是“描繪電場(chǎng)中等勢(shì)線”的實(shí)驗(yàn)器材，請(qǐng)用實(shí)線作導(dǎo)線連接實(shí)物電路圖．圖9解析：選擇靈敏電流表(－，G0)，實(shí)物圖連接如下：圖10答案：見解析7．如圖11在