实验二、静电场物理模拟
静电场的模拟描绘实验报告
静电场的模拟描绘实验报告静电场的模拟描绘实验报告引言：静电场是物理学中一个重要的研究领域，它涉及到物质之间的电荷分布和相互作用。
为了更好地理解静电场的特性和行为，我们进行了一系列的模拟描绘实验。
本报告将详细介绍我们的实验过程、实验装置和实验结果，并对实验结果进行分析和讨论。
实验目的：本次实验的主要目的是通过模拟描绘静电场，观察和研究电荷分布和电场强度的分布情况，进一步理解静电场的特性。
实验装置：我们使用了一块平行板电容器作为实验装置，它由两块平行的金属板组成，板之间的距离可以调节。
我们将一些小球形的导体放置在电容器的不同位置，并通过连接导线将它们与电源相连。
在实验过程中，我们使用了一台电场力计来测量电场强度。
实验步骤：1. 首先，我们将电容器的两块金属板平行放置，并调节板之间的距离为一个适当的值。
2. 然后，我们将一些小球形导体放置在电容器的不同位置，确保它们与金属板不接触。
3. 接下来，我们使用导线将小球形导体与电源连接，并将电源的电压调节到一个适当的值。
4. 在实验过程中，我们使用电场力计测量不同位置的电场强度，并记录下来。
实验结果：通过实验，我们观察到以下结果：1. 随着小球形导体与金属板之间的距离增加，电场强度逐渐减小。
2. 在电容器的中心位置，电场强度最大。
3. 在电容器的边缘位置，电场强度较小。
实验分析：1. 电场强度与距离的关系：根据库仑定律，电场强度与距离的平方成反比。
因此，当小球形导体与金属板之间的距离增加时，电场强度会减小。
2. 电场强度与位置的关系：在电容器的中心位置，由于导体与金属板的距离相等，电场强度最大。
在电容器的边缘位置，由于导体与金属板的距离较大，电场强度较小。
实验讨论：通过这个实验，我们更深入地了解了静电场的特性。
静电场的模拟描绘实验可以帮助我们观察和研究电荷分布和电场强度的分布情况，从而进一步理解静电场的行为。
实验的局限性：1. 实验装置的简化：我们使用了简化的平行板电容器作为实验装置，这可能会导致实验结果与真实情况存在一定的差异。
长安大学物理实验报告静电场模拟
长安大学物理实验报告静电场模拟实验一模拟法描绘静电场报告范例实验名称：用模拟法测绘静电场同组人：X X X 实验窒：物电学院电磁实验窒xxx 时间2012.XX.XX实验项目：实验目的：参阅《大学物理》实验教材p104面所述撰写实验器材：参阅《大学物理》实验教材p106-107面所述撰写实验原理：参阅《大学物理》实验教材p104-106面内容简要综述撰写，要求画出图画-28（b）。
写出公式（2）图一实验步骤：参阅《大学物理》实验教材p107面内容和QQ群共享中的精简讲义综合简要叙述。
数据记录与处理及结果讨论（数据处理范例，仅供参考）数据记录与处理： 12在测量静电场电势的打点记录纸上，定出圆心，测量出各点到圆心的距离，并记录数据。
由r1--r8的记录值算出相应的平均值，并算出相应的对数值，本实验的U0为10伏，由此可算出各组的U(r)与U0的比值。
3．以U(r)/U0为横坐标，ln为纵坐标作图，先绘出各点，再描直线。
并作延长线，读出直线的截距，并计算斜率的绝对值。
ln(r)/U04.按照公式算出同轴圆柱体内外半径对应的测量值ra,rb，并与其标准值比较，计算出误差。
同轴圆柱体的内外半径标准值分别为ra0=0.50cm,rb0=7.50cm a)由U(r)=U0lnrbrU(r)rb/lnb，可得：ln=lb-ln （以厘米为单位计算），rraU0raU(r)=0令U(r)=0,可得lb=ln=B。
由图知，此时ln函数值对应纵坐标截距值，约为B=2.02。
即lb=2.02b)由图中量出截距值计算斜率，。
由ln=lb-，则有：rb=7.60cm。
rBU(r)rbln知，k=lnb==2.73，raAU0ralnrb=2.73，则la=lb-2.73=ln7.60-2.73=-0.702，可得：ra=0.49cm ra c)误差处理。
同轴圆柱体内外半径标准值ra0=0.50cm,rb0=7.50cm，?ra=ra0.01c，m?rb=rb0.10c m0-=0-=测量结果为：ra=0.49cm±0.01cm，rb=7.60cm±m0.1c05.将打点记录纸上（同轴圆柱体电势）的测量点复制到实验报告上，用虚线画出同轴圆柱体间的电位线簇分布，用实线画出同轴圆柱体间的电场线分布，大致如左下图所示。
用模拟法测绘静电场(2)
矢量E， 根据U
，可以通过标量电势的分布，求得电强度的分
布。对于较复杂的电场需要通过实验来测量电势的分布。因此，等势
线的描绘是研究电场的基础。
然而真正的静电场不能用电表直接测量。因此考虑把带电体放 在导电介质，维持带电体间的电势差不变。理论和实验都证明，导电 介质里由恒定电流产生的电场与静电场的规律完全相似。因此可以用 稳恒电流场来模拟静电场，这叫模拟法。
总电阻为（半径a到b之间圆柱片的电阻）
R ra rb
2 t
ln
rb ra
设Ub=0，则两圆柱面间所加电压为Ua，径向电流为
距轴线r处的电势为
I U a 2 tU a Rrarb ln rb ra
ln rb
U r
IRrrb
Ua
r ln rb
ra
由以上分析可见，Ur与Ur，Er与Er的分布函数完全相同。即长直同轴
大学物理实验
实验四
用模 拟 法 测 绘 静 电 场
内容
实验意义 实验目的 实验原理
实验仪器 实验操作 实验报告
一、实验意义
在带电物体周围存在着电场，带电体通过场相互作用。
知道场的分布，就可以计算出带电体之间相互作用力的大小，并根据
一定的初始条件求得带电体的运动规律或者形变的大小。因此，测量
电场有重要的物理意义。电场强度是用来描述电场分布大小和方向的
U (r)
r
b
a
U (a)
b
根据模拟原理，讨论稳恒电流场的分布（如图3-3）。取厚度
为t的圆柱形同轴不良导体片为研究对象。设材料电阻率为，则任意半
径r到r+dr的圆周间的电阻是 dR
dr
dr
dr
实验2.10 用稳恒电流场模拟静电场
实验2.10 用稳恒电流场模拟静电场[实验目的]1、掌握模拟法描绘静电场的原理和方法。
2、加强对电场强度和电势概念的理解。
[实验仪器]双层式结构静电场描绘仪、静电场描绘电源、模拟电极。
[实验原理]一、模拟的原因在科学研究和生产实际中，需要研究电子器件和设备中电极周围或介质中的电场分布。
由于这些电极形状或者介质分布又是比较复杂的，用理论的方法进行计算很困难，只能靠数值解法求出或用实验方法测出其电场分布。
由于与测量仪器相接的探测头本身总是导体或电介质，若将其放入静电场中，探测头上会产生感应电荷或束缚电荷，这些电荷又产生电场，与被测静电场迭加起来，使被测电场产生显著的畸变。
如果直接测量，也会因探极引入改变原电场的分布，即使探测出来也不是原电场分布。
另外因为静电场中没有运动电荷，也就没有电流，不能使磁电式电表发生偏转，故不能直接用电压表法去测量静电场的电势分布。
因此，实际测量中采用间接的测量方法（即模拟法）来测出静电场的分布。
二、模拟原理静止电荷在其周围空间激发的电场称为静电场，对静电场分布的描述可以用电场强度矢量E和电势U 来描述，也可以形象地用电场线和等势线（等势面）来描述。
由于电场线与等势线（等势面）存在永远正交的关系，只要能够设法描绘出电场中的等势线（等势面）分布，就可以方便的描绘出电场的电场线分布图。
再则标量在计算和测量方面比矢量要简单得多，所以一般都采用从对电势描绘到对电场强度矢量的描绘。
所谓模拟法就是用一种易于实现、便于测量的物理状态或过程去代替另一种不易实现、不便测量的状态或过程。
为了克服直接测量静电场的困难，将带电体放到电介质里，维持带电体之间的电势差（电压）不变，介质里便会有恒定不变的电流，这样就可以直接用电压表测量介质中各点的电势值（相对于另一电极的电压），再根据电势变化的最大方向计算出电场强度。
理论和实践证明，导电介质中恒定电流建立的电场（稳恒电流场）与静电场的规律完全相似，故用电流场去模拟静电场。
《大学物理》静电场的模拟实验
2、根据等势线作出电场线（做电场线时要注意：电场线与等势线正交，导体表面是等势面，电场线垂直于导体表面，电场线发自正电荷而中止于负电荷，疏密能表示出场强的大小，根据电极正，负画出电场线方向）。
五、实验步骤
1、打开描绘架上层的黑色金属方框，放上描绘用的坐标纸，并将其合上压紧。
2、水槽内注入干净的自来水至略低于电极板高度的位置，并将电极板水槽放于描绘架下层，居中。
六、实验记录与数据处理
本实验由于使用的是描点作图，故不再进行不确定度计算和数据的数学处理。要求在图上画出电极（必须与实际电极相同，如何画？）、测绘的等势线（虚线）及电力线图（实线）。
注意：作图要科学，不能违背相关物理概念。
七、课后作业题
（1）出现下列情况时测绘的等势线和电力线的形状有无变化？
①电源电压提高一倍
①；
②；
③。
通过对稳恒电流场和静电场的分析、比较，可以看到：两种场都有电势的概念，而且两种场都遵守高斯定理和拉普拉斯方程。因而只要
，便可由微分方程的唯一性定理得知稳恒电流场的电势分布与静电场的电势分布为一一对应关系。
2．准确模拟静电场需保证的实验条件
本实验是用稳恒电流场模拟真空或空气中的静电场，故如上物理相似性的条件要通过以下实验条件来保证：
（1）
。
（2）
。
（3）
（4）
。
四、 实验内容
用模拟法描绘静电场的实验报告
用模拟法描绘静电场的实验报告实验报告：用模拟法描绘静电场引言静电场是物理学中的一个重要概念，它描述了电荷在空间中所产生的电场分布情况。
为了更好地理解静电场的性质和特点，我们进行了实验，利用模拟法来描绘静电场，并通过实验结果来验证相关理论。
实验原理静电场是由电荷产生的，其中正电荷和负电荷分别对应着不同的电场性质。
根据库仑定律，电荷之间的相互作用力与它们之间的距离成反比，与它们的电量平方成正比。
基于此原理，我们可以通过模拟法来描绘静电场。
实验材料与仪器1. 电荷模拟体：利用导电材料制作的小球，可以携带正电荷或负电荷。
2. 静电感应仪：用于检测电荷的分布情况，包括电荷的大小和方向。
实验步骤1. 准备一块平整的导电板作为实验台面，确保表面无电荷。
2. 将电荷模拟体放置在导电板上，并使用静电感应仪测量其电荷量。
根据需要，可以选择正电荷或负电荷。
3. 移动电荷模拟体，观察静电感应仪的指示变化。
记录不同位置的电荷大小和方向。
4. 根据实验数据，绘制静电场线图。
静电场线是指在空间中连接相同电势的路径，通过绘制静电场线可以直观地表示静电场的分布情况。
实验结果与分析根据实验数据，我们可以得到一张静电场线图。
通过观察静电场线的形状和分布，我们可以得出以下结论：1. 静电场线始于正电荷，终于负电荷，且始终与电荷的法向量方向相切。
2. 静电场线密集表示电荷分布密集，而稀疏表示电荷分布稀疏。
3. 静电场线不会相交，因为电场是一个矢量场，不存在叠加的情况。
讨论与总结通过本次实验，我们成功地利用模拟法描绘了静电场的分布情况。
通过观察静电场线图，我们可以直观地了解静电场的特点和性质。
同时，我们也验证了库仑定律在描述静电场时的有效性。
然而，需要注意的是，本实验是基于模拟法进行的，实际的静电场可能受到许多其他因素的影响，如电荷分布的非均匀性、周围环境的存在等。
因此，在实际应用中，需要综合考虑这些因素，以获得更准确的静电场描述。
通过本次实验，我们深入了解了静电场的特性，并掌握了一种描绘静电场的方法。
静电场模拟实验报告
静电场模拟实验报告实验目的：1.了解静电场的基本概念和性质；2.掌握静电场中电势和电场强度的表示方法；3.通过模拟实验，观察和探究静电场的一些基本特性。
实验器材：1.电容板；2.两个导电板；3.两个导线；4.高阻手柄；5.数字电压表。
实验原理：静电场是由带电物体或电荷分布所产生的物理场，其包括电场和电势。
电场是由电荷所产生的力的作用产生的一种场，可以通过单位正电荷上所受到的力来表示。
电势是指单位正电荷在某一点上所具有的能量。
根据库仑定律，静电场的电势和电势差可以通过以下公式来表示：V = k * q / r其中，V表示电势，k为常数，q为点电荷的电荷量，r为距离。
电场强度E可以通过以下公式来表示：E = k * q / r^2实验步骤：1.将电容板放在桌面上，并将两个导电板分别接在电容板的两个端口上；2.将一个导线连接到电容板的一个端口上，另一端连接到高阻手柄的金属部分，确保导线与导板之间存在电接触；3.将另一个导线连接到电容板的另一个端口上，另一端连接到数字电压表的正极；4.将高阻手柄与数字电压表的负极相连；5.将高阻手柄平行地移动，并记录数字电压表的读数；6.将高阻手柄上的金属部分放在电容板以外的位置，记录数字电压表的读数；7.根据记录的读数，计算电势和电场强度的数值，并分析实验结果。
实验结果与分析：根据实验记录的读数，计算得到了不同位置上的电势和电场强度。
通过分析这些数据，可以得出以下结论：1.电势随距离的增加而减小。
根据电势的计算公式可以知道，当距离增加时，电势减小，这与实验结果一致。
2.电场强度随距离的增加而减小。
根据电场强度的计算公式可以知道，当距离增加时，电场强度减小，这与实验结果一致。
结论：通过此次模拟实验，我们进一步了解了静电场的一些基本概念和性质。
实验结果与理论预期相符，验证了电势和电场强度与距离的关系。
同时，通过实验数据的统计和分析，我们也得出了电势和电场强度随距离变化的规律。
模拟法描绘静电场的实验报告
模拟法描绘静电场的实验报告模拟法描绘静电场的实验报告静电场是物理学中重要的概念之一，它在我们的日常生活中无处不在。
为了更好地理解和研究静电场的特性，我们进行了一项模拟法描绘静电场的实验。
实验目的本实验旨在通过模拟法描绘静电场，探究静电场的分布规律和影响因素，并进一步加深对静电场的理解。
实验装置与原理我们使用了一块平行板电容器作为实验装置。
平行板电容器由两块平行的金属板组成，中间夹有一层绝缘材料。
通过在电容器的两端加上电压，形成电场。
我们在电容器的中间位置放置了一个探测器，用于检测电场的强度。
实验步骤1. 首先，将平行板电容器放置在实验台上，并确保两块金属板之间的距离保持恒定。
2. 将电容器的两端分别连接到电源的正负极，通过调节电压大小，使电场的强度适中。
3. 将探测器放置在电容器的中间位置，并记录下电场的强度值。
4. 移动探测器，分别在不同位置上进行测量，并记录下相应的电场强度值。
5. 根据测量结果，绘制电场强度分布图，并分析电场强度的变化规律。
实验结果与分析通过实验测量，我们得到了一系列电场强度值，并绘制出了电场强度分布图。
从图中可以看出，电场强度在电容器的两个金属板之间是均匀分布的，且强度随着距离的增加而逐渐减小。
这符合静电场的基本规律，即电场强度与距离的平方成反比。
此外，我们还发现电场强度与电压的大小有关。
当电压增加时，电场强度也相应增加。
这说明电场强度与电压之间存在一定的线性关系，而电场强度可以作为电压的一个指标。
在实验过程中，我们还发现了一些影响电场强度的因素。
例如，电容器的板间距离越小，电场强度越大；电容器的板面积越大，电场强度也越大。
这些结果进一步验证了我们对静电场的认识。
实验总结通过模拟法描绘静电场的实验，我们深入了解了静电场的分布规律和影响因素。
我们发现电场强度与距离、电压、板间距离和板面积等因素密切相关。
这些发现对于我们进一步研究和应用静电场具有重要意义。
然而，本实验仅是对静电场的初步探索，还有许多未知的问题需要进一步研究。
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实验二 静电场物理模拟
一、实验目的要求
1． 理解物理模拟法的实验原理和应用条件。
2． 学习用物理模拟法研究静电场。
3． 加深对静电场场强和电位的理解。
二、实验内容
1． 了解装置电路及实验原理。
2． 描绘矩形水槽薄水层中两个点电极产生的二维静电场。
三、实验仪器
矩形水槽、坐标纸两张、稳压电源和电压表，模拟电极、导线、固定支架。
四、实验原理
理论上讲，如果知道了电荷的分布，就可以确定静电场的分布。
电场既可以用电场强
度0E
（电力线）来描述，又可以用电势U （等势面、线）来描述。
由于标量的测量和计算
比矢量简便，因此，人们更愿意用电势来描述电场。
在给定条件下，确定系统静电场分布的方法，一般有解析法﹑数值模拟法和物理模拟法。
解析法只能求解一些简单的问题；数值模拟法，也就是数值计算方法，它能解决一些复杂的问题，虽计算量很大，但在计算机的帮助下，目前已经得到长足的发展，应用很广，数值模拟也有不足之处，对于一些形状比较复杂的带电体或电极周围静电场的分布，求解也非常困难。
模拟法作为一种重要的实验研究方法，它本质上是用一种易于实现﹑便于测量的物理状态或过程来模拟另一种不易实现﹑不便测量的物理状态或过程。
其条件是两种状态或过程有两组一一对应的物理量，并且满足相同形式的数学规律。
由于静电场中不存在电流，一般磁电式仪表，在有电流时才会有反应，因此难以确定静电场的等势线。
由于在一定条件下电介质中的稳恒电流场与静电场服从相同的数学规律，可以用恒定电流的电场模拟静电场。
如接到直流电源两端的小圆柱形电极之间形成的恒定电场，可以用来模拟等量异种电荷之间的静电场。
静电场与稳恒电流场的对应关系为
根据上表中的对应关系可知，要想在实验上用稳恒电流场来模拟静电场，需要满足下面三个条件：
⑴电极系统与导体几何形状相同或相似；
⑵导电质与电介质分布规律相同或相似；
⑶电极的电导率远大于导电质的电导率，以保证电极表面为等势面。
实验中确定等势点的根据是：当两点电势相等时，连接该两点间的导线上无电流通过，否则将有电流从高电势点流向低电势点。
五、实验步骤
1．将坐标纸压在盛有薄水层的透明水槽下面,如图一所示；
2．根据各组的情况，确定供电电极A（正极，电位为U0）,B（负极电位为零）的坐标，然后按图一的方式，接好电路。
为了接触良好，供电电极A,B也要固定好。
电压表的两支表笔(红表笔为M,黑表笔为N)用作探针，用于测量等位线。
图一、静电场物理模拟实验仪器接线图
3、测量AB之间的电压U0 = 20V。
测量以下电位的等值线：8V,10V,12V,14V,16V。
4、黑表笔N极接B极，红表笔M极轻轻在薄水层上滑动，当电压表的读数为8V时,将红表笔M极固定，并读出水槽下面坐标纸上的坐标, 记录在另一张坐标纸上。
5、再让黑表笔N极轻轻在薄水层上滑动，当电压表的读数为0时，每隔0.5~3cm的间距，读出水槽下面坐标纸上的坐标,并将这些点的位置标在另一张坐标纸上，就可记录下8V的等位线。
6、重复4-5的操作，记录U1,U2,U3,……,U n = 8V,10V,12V,14V,16V的等位线，直到全部测完。
7、关闭电源，根据坐标纸上的点用点划线勾画等值线图。
8、改变AB之间的电压U0，重复4-7的操作，并观察两种情况下的电位分布是否一
样，分析其原因。
注意事项
1．为保证模拟场准确，水层必须薄，否则不能近似为二维问题。
2．为避免接触电阻对探测的影响，必须确保电极与水层接触良好，且应尽量与坐标纸面垂直。
3．等势点间距离不要太大，一般在0.5～2cm左右，•对于等位线曲率较大或靠近供电电极处应多测一些等位点。
问题讨论
1．用电流场模拟静电场的理论依据是什么？
2．分析影响探测结果的各种因素？
3．分析A、B极与水层之间的接触电阻的变化对观测结果的影响，如何避免？
4．如果要描绘12V的等位线，下面哪一种做法正确？并说明原因。
a. 黑表笔N极接B极，红表笔M极在水中轻轻滑动，当电压表的读数为12
时用力按一下，在坐标纸上记录该点的位置，并将红表笔M极固定；再让黑表笔
N极轻轻在薄水层上滑动，当电压表的读数为0时，每隔0.5~2cm的间距在坐标
纸上记录这些点的位置，就可记录下12V的等位线。
b. 黑表笔N极始终接B极，让红表笔M极不断地在水中轻轻滑动，只要电压
表的读数为12时，每隔0.5~2cm的间距，在坐标纸上就可记录下12V的等位线。
5．如果电源电压增加一倍，等位线与电力线的形状是否变化？
6．与实验一数值模拟的结果进行对比，分析电位等值线图不完全一样的原因。
附录
3、分析A 、B 极与水之间的接触电阻的变化对观测结果的影响，如何避免？
答：右图为静电场
模拟的等效电路图。
故有：
00
00
0001111A B
A B A B
A B A B A B A B
A B
A B
U U U U IR IR IR U I R R R U U IR IR U U R R R R R R R U R R R U R R R =++=++=
++=-+-
++++-++-
+
+（）=（）
=（）
=（）
知：当R 不变，R A 与R B 变化时，U 将发生相应的变化。
0U I。