1、东 南 大 学 物 理 实 验 中 心 模拟静电场 任课教师任课教师 熊宏齐熊宏齐东 南 大 学 物 理 实 验 中 心 l 势势课前思考东 南 大 学 物 理 实 验 中 心 实验目的（1 1）掌握模拟法的概念，学习用模拟法描绘静电场。）掌握模拟法的概念，学习用模拟法描绘静电场。 （2 2）通过对静电场分布的研究，加强对电场强度）通过对静电场分布的研究，加强对电场强度和电位的了解。和电位的了解。 研究静电现象或电子束的运动规研究静电现象或电子束的运动规律时，需要了解静电场的电场分布律时，需要了解静电场的电场分布情况。带电体周围静电场分布在科情况。带电体周围静电场分布在科学研究和工程技术中有重
2、要的作用。学研究和工程技术中有重要的作用。东 南 大 学 物 理 实 验 中 心 实验原理计算十分复杂计算十分复杂 困难困难测量仪器的介入会改变原静电测量仪器的介入会改变原静电场场的分布场场的分布模拟法模拟法理论计算理论计算直接测量直接测量以相似性原理为基础，用一种易以相似性原理为基础，用一种易于实现，便于测量的物理状态或于实现，便于测量的物理状态或过程模拟另一种不易实现，不便过程模拟另一种不易实现，不便测量的状态或过程。测量的状态或过程。东 南 大 学 物 理 实 验 中 心 实验原理 模拟法可以分成两大类：模拟法可以分成两大类： 计算机模拟：计算机模拟：两个不同本质的物理过程，用同两个不同
3、本质的物理过程，用同一个数学方程来描述。一个数学方程来描述。 物理模拟：物理模拟：保持同一物理场本身，相同的物理保持同一物理场本身，相同的物理现象现象/ /过程缩小或放大模拟再现。过程缩小或放大模拟再现。 “风洞风洞”的飞机模型模拟实际飞机在大气中的飞的飞机模型模拟实际飞机在大气中的飞行行 物理模拟分为几何模拟、动力相似模拟、替代物理模拟分为几何模拟、动力相似模拟、替代或类比模拟三类。或类比模拟三类。本实验属于替代或类似模拟。本实验属于替代或类似模拟。东 南 大 学 物 理 实 验 中 心 实验原理1 1、静电场的相似模拟、静电场的相似模拟稳恒电流场稳恒电流场 当电流场中的电极与静电场中的导体
4、当电流场中的电极与静电场中的导体有相同的形有相同的形状和位置状和位置，并且，并且有相同的电位差有相同的电位差时，可以证明，这两时，可以证明，这两种具有相同边界条件的相同方程，有相同的解，即有种具有相同边界条件的相同方程，有相同的解，即有相同的电位分布相同的电位分布。 )r( lnln 211122rrVrrrrVr例如：真空中柱状电容器的静电场电势分布例如：真空中柱状电容器的静电场电势分布东 南 大 学 物 理 实 验 中 心 实验原理AB同轴圆筒电极间的稳流场中电势分布：同轴圆筒电极间的稳流场中电势分布： )r( lnln211122rrVrrrrVr东 南 大 学 物 理 实 验 中 心
5、实验原理2 2、稳恒电流场模拟静电场，要满足以下实验条件稳恒电流场模拟静电场，要满足以下实验条件电极形状应与被模拟的静电场中的带电体几何形电极形状应与被模拟的静电场中的带电体几何形状相同；状相同； 稳恒电流场中的导电介质是不良导体且电导率分稳恒电流场中的导电介质是不良导体且电导率分布均匀，并满足电极电导率远远大于介质的电导布均匀，并满足电极电导率远远大于介质的电导率；率； 电极形状和介质具有对称性时场量也具有对称性，电极形状和介质具有对称性时场量也具有对称性，例如对于具有轴对称性的电场，只要测量其中任例如对于具有轴对称性的电场，只要测量其中任何一个垂直于轴的截面的径向电位分布就行了。何一个垂直
6、于轴的截面的径向电位分布就行了。东 南 大 学 物 理 实 验 中 心 实验原理3、介绍两种电场、介绍两种电场东 南 大 学 物 理 实 验 中 心 实验原理 2 2、聚焦电极、聚焦电极东 南 大 学 物 理 实 验 中 心 实验仪器EQC-3EQC-3型导电微晶静电场描绘仪型导电微晶静电场描绘仪 东 南 大 学 物 理 实 验 中 心 实验仪器本实验有两种本实验有两种静电场描绘仪箱，每静电场描绘仪箱，每个描绘仪箱装有两种个描绘仪箱装有两种不同形状的电极，共不同形状的电极，共四种电极，提供不同四种电极，提供不同的电场供测绘。分别的电场供测绘。分别是同轴圆柱中的电场，是同轴圆柱中的电场，聚焦电场
7、，点状非均聚焦电场，点状非均匀电场，点条状非均匀电场，点条状非均匀电场。匀电场。东 南 大 学 物 理 实 验 中 心 实验内容1.1. 静电场描迹仪测绘同轴圆柱体中间区域的电静电场描迹仪测绘同轴圆柱体中间区域的电场分布。场分布。2.2. 改换同一静电场描绘仪箱导电玻璃上的另一改换同一静电场描绘仪箱导电玻璃上的另一电极，描绘出对应的等势线及电力线。电极，描绘出对应的等势线及电力线。3.3. 使用两种不同静电场描绘仪箱的同学在完成使用两种不同静电场描绘仪箱的同学在完成本仪器两种电极等势线及电力线的描绘后，互本仪器两种电极等势线及电力线的描绘后，互相交换仪器（须告知任课老师），再描绘另外相交换仪器
8、（须告知任课老师），再描绘另外1 12 2种电极的等势线及电力线。种电极的等势线及电力线。东 南 大 学 物 理 实 验 中 心 1. 坐标纸固定好；坐标纸固定好；实验中实验中能不能能不能移动？移动？2. 2. 调节两个电极间电压为调节两个电极间电压为10.0V10.0V；10.00v实验步骤东 南 大 学 物 理 实 验 中 心 实验步骤3 3、等势面的测量方法：、等势面的测量方法： 直接测量法直接测量法 将将K1K1打向打向“直接直接”、K2K2打向打向“校正校正”，调节电压调节旋钮至，调节电压调节旋钮至10V10V；然后将；然后将K K2 2打向打向“测量测量”，即可进行，即可进行正常测
9、量。正常测量。检零法检零法 将将K1K1打向打向“检零检零”、K3K3打向打向“设定设定”，调节设定调节旋钮至需要的量，调节设定调节旋钮至需要的量值；然后将值；然后将K3K3打向打向“检零检零”即可测量。即可测量。k2k3k1k4k5东 南 大 学 物 理 实 验 中 心 直接测量法直接测量法检零法检零法C+-VG+-C等势面的测量方法等势面的测量方法哪哪 种种 方方 法法 更更 好？好？实验步骤东 南 大 学 物 理 实 验 中 心 4 4、测量、测量 实验步骤画一条曲线需画一条曲线需要取要取15-2015-20点点电势面、电场线实验后再画出电势面、电场线实验后再画出如何评价实验的准确性？如
10、何评价实验的准确性？E EE Ea ab b 用同步探针探测不同电势（用同步探针探测不同电势（0V0V、2V2V、4V4V、6V6V、8V8V、10V10V）的若干等势点。）的若干等势点。东 南 大 学 物 理 实 验 中 心 实验步骤5 5 、测出各等势线的半径、测出各等势线的半径r r实，并和同一电势相对值实，并和同一电势相对值（U/U0U/U0）时的半径）时的半径r r理论相比较，计算相对误差，并理论相比较，计算相对误差，并分析产生误差的原因。分析产生误差的原因。理理rrr实U（V）02.04.06.08.010.0U/U000.200.400.600.801.00r理 (cm)7.504.362.541.480.750.50r实 (cm)误差原误差原因分析因分析东 南 大 学 物 理 实 验 中 心 实验步骤 6 6、改换导电玻璃上的其它电极，描绘出对应、改换导电玻璃上的其它电极，描绘出对应的等势线及电力线，方法同前。（任选的等势线及电力线，方法同前。（任选1 12 2种种电极形状。）电极形状。）观观 察察 思思 考考 如果电源电压增加一倍，等势线和电力线如果电源电压增加一倍，等势线和电力线的形状是否发生变化？电场强度和电势分布是的形状是否发生变化？电场强度和电势分布是否发生变化？为什么？否发生变化？为什么？
