模拟静电场-大学物理实验-海南大学
01大学物理实验-绪论- 海南大学儋州校区
uA x t
x x
n i 1 i
2
2
平均值的标准偏差：
s( x i ) s( x ) n
( xi x )2
i 1
n
n ( n 1)
海 南 大 学
《大学物理实验》
当n 时，s( xi ) 稳定值
标准偏差的特性
海 纳 百 川
标 准 偏 差
0.01
2
圆柱体高度： H H 2 H1 (19.32 4.00)cm 15.32cm
2
0.02 g 0.015g 3 大
道
2
2 2 2 u ( H ) 2 u B1 ( H ) u B 2 ( H ) 2 0.02 0.01 cm 0.029cm 致 3
结论：物理实验是物理学在其他学科中应用的桥梁。
海 南 大 学
《大学物理实验》
第二章 测量
海 纳 百 川
•物理实验以测量为基础
•完整的测量结果应表示为：
Y y
大 道 致 远 测量值的单位
以电阻测量为例 R＝910 .3 1.4
包括： 测量对象 测量对象的量值
测量的不确定度
范围内的概率很大， 的取值与一定的概率相联系。）
1993年由国际计量局（BIPM）、国际标准化组织(ISO) 大 等四个国际权威组织制定了《测量不确定度表示指南》， 并由国际理论与应用物理学会（IUPAP）、国际理论与应 道 用化学学会（IUPAC）等七个国际组织批准实施。
致 远
•不确定度----被测量分散性的表征。 •分为两类： A类---由多次测量统计分析评定的不确定度 B类---其他方法评定的不确定度 这些信息可能来自过去经验、校准证书、技术说明书、 来自计算、来自出版物信息、分度值等等。
大学物理实验用稳恒电流场模拟静电场
r
U1
U2
I
2
ln
r2 r1
K2
ln
r2 r1
E
2
r
U1
U2
2
ln
r2 r1
K1 ln
r2 r1
同轴电缆静电场推导过程〔不要求,了解〕
由 高 斯 定 律 ， 电 通 量 E ds
E 2 rl q E q
2 rl
电荷线密度 q l
E 2 r
λ电荷线密度
ε真空介电常数
同轴电缆电位推导过程〔不要求,了解〕
场中任一半径r处的电位：
U
K2
ln
r2 r
U
r r2e K2
U
10e 4.34 (cm)
可见圆柱形电极的等位线是同心圆.
2、静电场的测绘方法
场强E在数值上等于电位梯度,方向指向电位降落的方向.
同轴圆柱电缆电场
两点电荷电场
电力线与等位线正交
先测绘等位线,然后根据电力线与等位线正交的原理,画出电 力线.
模拟实验法：
a. 物理模拟 ：保持同一物理 场本身,把相同的物理现象/ 过程缩小或放大模拟再现.如 "风洞"的飞机模型,模拟实际 飞机在大气中飞行.
b. 数学模拟：两个不同本质的物理过程,用同一 个数学方程来描述.
为什么不直接测静电场, 而要用稳恒电流场模拟静电场？
• 直接测静电场存在困难：
•
a. 静电场中没有电流,电磁式电表
两场服从的规律： 数学形式相同, 且边界条件相同
则电场、电位分布完全相类似
故可用电流场模拟静电场〔数学模拟〕
如何实现电流场模拟静电场？ 稳恒电流场 模拟
同轴圆柱电缆的静电场
静电场的模拟实验报告
实验二静电场的描绘【目的与任务】1、理解用模拟法描绘静电场的原理和方法；2、学会用模拟法描绘静电场的等势线和电场线；3、定性说明同轴圆柱面和带电直导线电流场的特点及其应用。
【仪器与设备】静电场描绘仪（西安教学仪器厂生产），万用电表，坐标纸等。
仪器简介：1、交流电源交流电源输出电压在0～10V之间连续可调，最大输出电流l A。
实验时将输出电压调节到实验要求之值。
2、静电场描绘仪图1 静电场描绘仪静电场描绘仪如图1所示，支架采用双层式结构，下层放置水盘和电极，上层安放坐标纸。
P是测量探针，用于在水中测量各点的电势，P′是与P 联动的记录探针，可将P在水中测得的各电势点通过按下指针P′在坐标纸上打出印迹，同步地记录在坐标纸上。
由于P、P′是固定在同一探针架上的，所以两者绘出的图形完全相同。
3、模拟电极可提供两点电荷(平行输电线)，同轴柱面(同轴电缆)，聚焦电极三种模拟电极。
【原理与方法】1、直接测量静电场的困难带电体在周围空间产生的静电场，可用电场强度E 或电势U 的空间分布来描述。
一般情况下，可从已知的电荷分布，用静电场方程求出其对应的电场分布，但对较复杂的电荷分布，如电子管、示波管、电子显微镜、加速器等电极系统，数学处理上十分困难，因而总是希望用实验方法直接测量。
但是，直接测量静电场往往很困难。
因为，首先静电场中无电流，不能使用磁电式仪表，而只能使用较复杂的静电仪表和相应的测量方法；其次，探测装置必须是导体或电介质，一旦放入静电场中，将会产生感应电荷或极化电荷，使原电场发生改变，影响测量结果的准确性。
若用相似的电流场来模拟静电场，则可从电流场得到对应的静电场的具体分布。
2、用稳恒电流场模拟静电场的可行性如果两种物理现象在一定条件下满足同一形式的数学规律，则可将对其中某一种物理现象的研究来代替对另一种物理现象的研究，这种研究方法称为模拟法。
模拟法本质上就是利用几何形状和物理规律在形式上相似的原理，把不便于直接测量的物理量在相似条件下间接地实现。
《大学物理实验》2-09静电场描绘实验
入上层面板的夹板下，将水槽电极放入下层中，接入电源 K
R
形成模拟场。下探针可在模拟场中探测到不同点的电位，
两探针由两根等长的金属片固定在探针座上始终同步，当 电源E 下探针探测出电场的等位点时，轻按上探针，便可在坐标
探针 V
+ 电极
－
纸上同步打出相应的等位点，即描迹点。静电场描绘仪电
图2
源面板如图 3 右部所示，它可以提供 0~15V 连续可调直流
（2）如果产生静电场的带电体表面是等位面，则产生电流场的电极表面也应是等位
106
面。为此，可采用良导体做成电流场的电极，
而用电阻率远大于电极电阻率的不良导体（如
－
石墨粉、自来水或稀硫酸铜溶液等）充当导电
质。
（3）电流场中的电极形状及分布，要与静
电场中的带电导体形状及分布相似。
－
2．长直同轴圆柱面电极间的电场分布
如图 1 所示是长直同轴圆柱形电极的横截
面图。设内圆柱的半径为a，电位为Va，外圆环
－
的内半径为b，电位为Vb，则两极间电场中距离 轴心为r处的电位Vr可表示为
r
∫ V r = V a −
E ⋅dr
a
又根据高斯定理，则圆柱内 r 点的场强大小 E=K r
当 a＜r＜b 时（6）式中 K 由圆柱体上线电荷密度决定。 将（6）代入（5）式 有
柱面的水槽电极，参照实验内容 1 按实验室要求测出若干条等位线。
3．聚焦电极间的电场分布
阴极射线示波管的聚焦电场是由第一聚焦
电极A1和第二加速电极A2组成。A2的电位比A1
A1
A2
的电位高。电子经过此电场时，由于受到电场
力的作用，使电子聚焦和加速。图 5 所示的就
大学物理实验-绪论-海南大学儋州校区
的理解和掌握。
03
培养团队协作精神
实验课程通常需要小组合作完成，学生可以在实践中培养团队协作精神
和沟通能力。
对未来的展望和期待
深化实验教学
希望未来能够进一步深化实验教学，增加更多的实验项目和 内容，以满足学生的学习需求。
引入先进技术
将更多先进的实验技术引入课堂，提高实验的科技含量和教 学质量。
对未来的展望和期待
期末考试
在学期末进行，主要考察学生对实验原理、实验操作和数据处理等方面的掌握 程度，占总评成绩的50%。
06 结语
总结实验课程的意义和收获
培养实践操作能力
通过亲手进行实验操作，学生能够提 升实践操作能力，加深对物理原理的 理解。
培养观察和分析能力
实验过程中需要对实验数据进行细致 观察、记录和分析，有助于培养学生 的观察力和分析能力。
感谢您的观看
总结实验课程的意义和收获
• 培养科学素养和创新精神：通过实验课程，学生可以培养科学 素养和创新精神，为未来的学术研究和创新工作打下基础。
总结实验课程的意义和收获
01
掌握实验技能和方法
通过实验课程，学生可以掌握基本的实验技能和方法，了解实验设计和
操作流程。
02
加深对物理理论的理解
实验课程能够帮助学生将理论知识与实际操作相结合，加深对物理理论
光学实验
包括光的干涉、衍射和偏振等 实验项目。
力学实验
包括质点和刚体的运动规律、 动量守恒和碰撞等实验项目。
电磁学实验
包括静电场、恒定磁场和交变 电磁场等实验项目。
近代物理实验
包括原子分子结构、量子力学 和相对论等实验项目。
实验课程考核方式
平时成绩
模拟静电场测绘实验报告
模拟静电场测绘实验报告模拟静电场测绘实验报告引言：静电场是物理学中重要的概念之一，对于电荷的分布和运动具有重要影响。
为了更好地理解静电场的特性和分布规律，我们进行了一项模拟静电场测绘实验。
本实验旨在通过模拟电荷的分布情况，观察静电场的形态，并通过实验结果验证静电场的基本定律。
实验设备：1. 电荷模拟器：用于模拟电荷的分布情况，可以调节电荷的大小和位置。
2. 电场测量仪器：用于测量电场强度和方向，包括电场计和电势计。
实验步骤：1. 设置电荷模拟器：根据实验要求，设置电荷模拟器的电荷大小和位置。
可以选择不同的电荷分布方式，如点电荷、线电荷或平面电荷等。
2. 测量电场强度：将电场计放置在不同位置，记录电场强度的数值和方向。
通过改变电场计的位置，可以得到不同位置的电场强度分布情况。
3. 测量电势差：使用电势计测量不同位置之间的电势差。
通过测量不同位置的电势差，可以得到电场的等势线分布情况。
实验结果与讨论：通过实验测量和观察，我们得到了静电场的分布情况和特性。
以下是一些重要的实验结果和讨论：1. 电场强度与距离的关系：实验结果表明，电场强度与距离的平方成反比。
这符合库仑定律，即两个点电荷之间的电场强度与它们之间的距离成反比。
2. 电场线的形态：通过观察电场计的指示，我们可以看到电场线是从正电荷指向负电荷的。
在点电荷的情况下，电场线呈放射状分布；在平面电荷的情况下，电场线呈平行于平面的直线分布。
3. 电势差和等势线的关系：实验结果显示，等势线是垂直于电场线的曲线。
电场强度越大的地方，等势线越密集；电场强度越小的地方，等势线越稀疏。
结论：通过模拟静电场的测绘实验，我们深入了解了静电场的特性和分布规律。
实验结果验证了静电场的基本定律，如库仑定律和等势线的特性。
同时，实验还揭示了电场强度与距离的关系、电场线的形态以及电势差和等势线的关系。
这些实验结果对于理解静电场的本质和应用具有重要意义。
进一步研究：本实验只是对静电场的基本特性进行了初步的探究，还有许多有趣的问题值得进一步研究。
大学物理实验--实验五用模拟法测绘静电场NE...【精选】
实验五 用模拟法测绘静电场预习重点1.用稳恒电流场模拟法测绘静电场的原理和方法。
2.预习同轴柱面的电场分布情况。
实验目的1.学习用稳恒电流场模拟法测绘静电场的原理和方法。
2.加深对电场强度和电位概念的理解。
3.测绘同心圆电极的电场分布情况实验原理由于带电体的形状比较复杂，其周围静电场的分布情况很难用理论方法进行计算。
同时仪表（或其探测头）放入静电场，总要使被测场原有分布状态发生畸变，不可能用实验手段直接测绘真实的静电场。
本实验采用模拟法，通过同心圆电极产生的稳恒电流场模拟同轴柱面带电体形状的带电体产生的静电场。
一、模拟的理论依据为了克服直接测量静电场的困难，可以仿造一个与待测静电场分布完全一样的电流场，用容易直接测量的电流场去模拟静电场。
静电场与稳恒电流场本是两种不同的场，但是两者之间在一定条件下具有相似的空间分布，即两种场遵守的规律在数学形式上相似。
对于静电场，电场强度在无源区域内满足以下积分关系0s d ⋅=⎰ E s 0ld ⋅=⎰ E l 对于稳恒电流场，电流密度矢量J 在无源区域内也满足类似的积分关系0sd ⋅=⎰ J s 0ld ⋅=⎰ J l 由此可见，和在各自区域中所遵从的物理规律有同样的数学表达形式。
若稳恒电流场E J 空间均匀充满了电导率为σ的不良导体，不良导体内的电场强度与电流密度矢量之'E J 间遵循欧姆定律： σ'J =E 因而，和在各自的区域中也满足同样的数学规律。
在相同边界条件下，由电动力学E 'E 的理论可以严格证明：具有相同边界条件的相同方程，解的形式也相同。
因此，可以用稳恒电流场来模拟静电场。
二、模拟长同轴圆柱形电缆的静电场利用稳恒电流场与相应的静电场在空间形式上的一致性，只要保证电极形状一定，电极电位不变，空间介质均匀，则在任何一个考察点，均应有“U 稳恒=U 静电”或“E 稳恒=E 静电”。
以下以同轴圆柱形电缆的静电场和相应的模拟场——稳恒电流场来讨论这种等效性。
大学物理实验报告-319-模拟法测绘静电场-样例-V1
大学物理实验报告-319-模拟法测绘静电场-样例-V1模拟法测绘静电场
【实验目的】
1. 了解如何应用模拟法对于静电场的分布进行测绘。
2. 掌握根据电力计的测量结果来评价极化体的特性，并且绘制电场的粒子轨迹的能力。
【实验原理】
静电场是由若干带电粒子所引起的一种特殊现象，它包括分析和测量两个方面。
模拟
法测绘静电场是利用电力计，根据测量结果建立模型，再对模型进行数值积分可以得到极
化体的特性以及电场的粒子轨迹。
【实验步骤】
1．准备实验仪器和耗材：电力计，电荷板，电动机，磁力计，电磁铁，铁磁片，胶水，混合剂，电阻等实验仪器以及耗材。
2．对实验仪器进行检查，准备实验环境：首先调整实验仪器，使它们得到最佳操作；其次，准备适当的实验环境，包括温湿度计等。
3．测量静电场：基于电力计技术，使用电力计测量静电场，并且绘制电场变化曲线。
4．对模型进行数值积分：根据测量结果，建立模型，再对模型进行数值积分，从而
得到电场的粒子轨迹。
【实验结果】
实验表明，模拟法的测绘静电场的操作过程比较复杂，但是可以有效地评价极化体的
特性，并且可以绘制出电场的粒子轨迹。
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模拟静电场
【实验目的】
1.学习模拟实验方法及用电压表与检流计测绘等势线。
2.加强对电场强度和电位概念的理解，了解电力线与等势线之间的关
系。
3.测绘同轴圆电缆及平行导线的等势线和电力线。
【实验原理】
1.为何用模拟法测绘
了解带电体周围的电场分布情况对研究电子束及其它带电粒子在电场中的运动是必须的。
计算经典电场分布通常是很困难的。
大多数情况下只有数值近似解，而用实验方法来测绘电场分布情况比较容易。
然而直接测量静电场也存在很大困难。
通常保持一个恒定的静电场本身就比较困难。
再者，由于测量探针的引入会因静电感应而改变原被测电场。
因此，在实验中通常用稳恒电流产生的电场来模拟静电场，其理由是
（1）稳恒电源可建立稳定的电场
（2）探针的引入不会改变原来的电场分布
（3）稳恒电流的电场分布和静电场分布完全一样。
2.稳恒电流电场与相应电场的等效性
我们在实验中用同轴圆电缆的电场分布来模拟圆筒状电容器的电场分布，而用平行直导线的电场分布来模拟二个带异种电荷的点电荷的电场分布。
我们首先要证明这两种电场分布的等效性。
导体A与B的圆柱，分别带等量异种电荷。
A、B间为真空时 r处的电场强度为:
距中心 r处的电势为：
如果A、B之间充满一种电阻为R的导体，A、B分别与电池正负极相连接。
r处的电场强度为:
距中心 r处的电势为：
3.实验方法：
测量电势比较方便。
所以先测绘等势线。
这里使用两种测量等势线的方法：一是电压表方法，它可以直接测出导电纸上某一点的电势（即与另一参考点的电势差），其优点在于方便、直观，并且所测电势可连续变化。
第二种方法是检流计法。
它的优点在于测量精度较高。
【实验仪器】
静电场等位仪, 电阻箱
,
电流计, 电极1, 电极2, 接线
, ,
,
【实验步骤】
1．用检流计法测绘同轴圆电缆中的等势线
a. 等位仪开关打“1”（电流档），并在一白纸上画上“米”字格
b. 将等位仪上的分压器置于2V，移动测笔C
c. 若此时通过检流计的电流为零，那么测笔C点的电势就与分压器上的
标示值相同，为2V。
d. 用这种方法在"米"字格上找出"8"点2V点
e.再依次将分压器置于4V，6V，8V。
用同样的方法在"米"字格上移动测笔，
使检流计中电流为零，从而找出4V，6V，8V的等势点（每个等势值找8个等势点）。
2.用电压表法测绘平行直导线的等势线
a. 等位仪开关打到“2”（电压档）
b. 移动测笔,此时等位仪上电压表电压读数既为该点的电压值
c. 根据电压表的示值，依次找出5V，4V，6V，3V，7V，2V和8V的等势点
（每种电势找8个点）
【数据记录】
1．同轴电缆的等势线与电力线测绘
2.平行直导线等势线描绘
【预习思考题】
1. 为什么采用稳恒电流场模拟静电场？
2. 等势线与电力线间关系如何？绘制电力线时应注意什么？
3. 由公式求出u r=2.
4.6.8伏的等势圆半径r
(a=10.0mm,b=49.5mm,u a=10.0v)
4.本实验用哪两种方法测等势电压？试比较其优缺点
【复习思考题】
1．电源电压增加，等位线、电力形状是否变化？
2．从实验结果，是否能说明电极和导电纸间接触是否良好？如果某些地方接触不良，会出现什么现象？
3．从实验的结果能否说明导电纸各处电导率是否均匀？如果某处电导率高，将出现什么？试用图定性地描绘。
4．在实验中，如果把二个电极的电源极性互换，其结果是否影响等势线与电力线的形状？
,。