實驗用描跡法畫出電場中平面上的等勢線

實驗10

用描跡法畫出電場中平面上的等勢線一、實驗目的用描跡法畫出電場中一個平面上的等勢線．二、實驗原理用平面導電紙上的恒定電流場模擬真空中的靜電場，當電場中與導電紙接觸的兩探針尖端的電勢差為零時，與探針相連的電流表中電流為零，從而可以通過探針找出電流場中的等勢點，并依據等勢點描出等勢線．三、實驗器材學生用低壓直流電源或電池組(約6V)，靈敏電流表，開關，導電紙，復寫紙，白紙，圓柱形金屬電極兩個，探針兩支，圖釘，導線若干，木板．四、實驗步驟(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、復印五個基準點．(4)探測各基準點的等勢點．(5)根據等勢點(用平滑的曲線)描繪等勢線．如圖1(2)．圖1五、注意事項(1)靈敏電流計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)電流表允許通過的電流是很小的．一般不超過幾百μA，實驗時若指針偏轉超過滿刻度，應立即切斷電源，以防損壞電流表．(3)電流表不要接在電源上，以防偶然出現的大電流燒壞電流表．(4)幾種紙的順序：自下而上是白紙、復寫紙、導電紙，導電紙有導電物質的一面向上．(5)兩圓柱形金屬電極要和導電紙良好接觸，且不能太靠近導電紙邊緣．(6)尋找等勢點的方法，應從基準點附近由近及遠逐漸推移，不能大幅度移動．(7)導電紙上的導電物質很薄，尋找等勢點時，不要用探針在導電紙上劃動，要用點接觸法．(8)描繪等勢線時要用平滑曲線將各等勢點連接起來，不能畫成折線．六、誤差分析(1)電流表的精度是產生誤差的主要因素之一．(2)導電紙是否符合要求也是產生誤差的主要因素之一(導電紙的電阻率應遠大于金屬電極的電阻率，且導電涂層要均勻)．(3)電極與導電紙是否接觸良好．(4)圓柱形電極的大小也會給實驗帶來誤差．(一般選直徑為1cm的磨平銅柱作電極)題型一對實驗步驟的考查[例1]如圖2所示，是“用描跡法畫出電場中平面上的等勢線”的實驗裝置，其中a、g為________，分別用來模擬__________；當電流從紅色探針流入靈敏電流表G時，其指針向右偏轉，如圖當紅色探針接在e點時，黑色探針處于圖示位置，發(fā)現靈敏電流表指針向左偏轉，將黑色探針向__________移動，就能找到其等勢點．圖2[分析]

利用電流的流動特點去判斷，通過電流表的電流總是從高電勢處流向低電勢處．[解析]

a、g為電極，分別用來模擬正、負點電荷．已知當電流從紅色探針流入電流表時，指針向右偏，現在發(fā)現指針向左偏了，說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比e點高，又知左邊電勢比右邊高，要想找到和e點等勢的點，應將黑色探針向右移動．[答案]

電極正、負點電荷右規(guī)律總結：判斷探針移動方向時，除搞清電流方向與電勢高低關系外，還須弄清：①哪點電勢高；②電流從哪個探針流入電流表；③電流表指針偏轉方向與電流方向間的關系．如圖3所示為描繪電場中平面上等勢線的裝置，圖中A、C、P、D、B等相鄰兩點間距相等，其中A、B為金屬圓柱．當電流從正接線柱流入電流表G時，其指針向正接線柱一側偏轉．當探針(Ⅰ)接在D點，探針(Ⅱ)接在導電紙上某點時，電流表G指針向負接線柱一側偏轉．為了盡快尋找等勢點，探針(Ⅱ)應__________移動．(選填“向左”或“向右”)圖3解析：如題圖所示，電流表指針向負接線柱一側偏轉，說明電流是由負接線柱流入電流表，此時，探針(Ⅱ)與導電紙的觸點電勢比D點電勢高．觀察圖中實驗裝置知，金屬圓柱A、B分別與電源負極、正極相接，在導電紙上自右向左各點電勢逐漸降低，要使探針(Ⅱ)尋找到與探針(Ⅰ)觸點D電勢相等的點，應將探針(Ⅱ)向左移動．答案：向左題型二對實驗原理的考查[例2]如圖4所示，圖中給出的器材為：電源E(電動勢為12V，內阻不計)、木板N(板上從下往上依次疊放白紙、復寫紙、導電紙各一張)，兩個金屬條A、B(平行放置在導電紙上，與導電紙接觸良好，用作電極)，滑動變阻器R(其總阻值小于兩平行電極間導電紙的電阻)，直流電壓表V(量程為6V，內阻很大，其負接線柱與B極相連，正接線柱與探針P相連)，開關S.現要用圖中儀器描繪兩平行金屬板AB間電場中的等勢線．AB間的電壓要求取為6V.

圖4(1)在圖中連線，畫成實驗電路原理圖；(2)下面是主要的實驗操作步驟，將所缺的內容填寫在橫線上方．a．接好實驗電路．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個點作為基準點，用探針把它們的位置壓印在白紙上．f．將探針與某一基準點相接觸，__________，這一點是此基準點的等勢點．用探針把這一點的位置也壓印在白紙上．用相同的方法找出此基準點的其他等勢點．g．重復步驟f，找出其他4個基準點的等勢點，取出白紙畫出各條等勢線．[分析]

本題關鍵要找到“描繪電場中等勢線”實驗的原理和方法．圖5[解析]

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

見解析規(guī)律總結：本題主要考查勻強電場等勢面的特點，以及用模擬等量異種電荷電場的相似方法模擬勻強電場，考查了對知識的遷移能力．“用描跡法畫出電場中平面上的等勢線”的實驗中，在平整的木板上依次鋪放白紙、復寫紙和導電紙．在導電紙上平放兩個圓柱形電極A與B，分別與直流電源的正、負極接好，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，將一個探針固定在y軸上的某一點，沿x軸移動另一個探針，發(fā)現無論怎樣移動，靈敏電流表的指針都不偏轉，若電源及連線都是完好的，可能的故障是__________．將實驗故障排除后，探針從BO間某處沿x軸向電極A移動的過程中，電流表中指針偏轉的情況是__________．圖6解析：本題主要考查實驗的基本原理及實驗現象和實驗故障的分析能力．導電紙涂導電物質的一面朝下了；偏角逐漸減小到零，再反向偏轉，偏角逐漸變大．答案：見解析如圖7所示的電路圖，可測畫出點電荷的等勢線．用厚1mm的鋁板做一個內徑為9cm，外徑為10cm的鋁環(huán)，將導電紙、復寫紙、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)、導電紙三者緊密接觸．鋁環(huán)與電極A相連，如圖7所示，當閉合開關S，電流將從接線柱B成放射狀流向鋁環(huán)，形成一個放射狀的電流場．如何測畫出其中的等勢線？圖7解析：題中的電流場可用來模擬正點電荷形成的靜電場，尋找等勢點的方法與模擬等量異種電荷電場的方法類同．答案：在鋁環(huán)內沿半徑取五個等間距的點，用靈敏電流表分別尋找這五個點的等勢點，用描跡法描出5條等勢線，即5組同心圓1．在“用描跡法畫出電場中平面上的等勢線”的實驗中，在下列所給出的器材中，應該選用的是(

)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，所測電流不會超過幾百微安．答案：CG2．在用電流場模擬靜電場描繪電場中等勢線的實驗中，如圖8所用的電表指針偏轉方向與流入電流的關系是：當電流從正接線柱流入電表時，指針偏向正接線柱一側．一位學生用這個電表探測基準點2兩側的等勢點時，把接電表正接線柱的探針E1接觸基準點2，把接電表負接線柱的探針E2接觸紙上某一點，發(fā)現表的指針發(fā)生了偏轉，為了探測到等勢點，則 (

)圖8A．若電表指針偏向正接線柱一側，E2應右移B．若電表指針偏向正接線柱一側，E2應左移C．若電表指針偏向負接線柱一側，E2應右移D．若電表指針偏向負接線柱一側，E2應左移解析：根據等量正、負點電荷等勢線的特點可判斷B、C正確．答案：BC3．關于探測等勢點的操作方法，下列說法中正確的是(

)A．將兩個探針壓在導電紙上同時慢慢移動，當看見電流表指針沒有偏轉的時候，手就停止滑動，并把兩個表筆的位置同時復印在白紙上，如此反復滑動，便可得到許多等勢點，描出等勢線B．將一個探針始終與一個圓柱形電極接觸，讓另一個探針在導電紙上慢慢滑動，每發(fā)現電流表指針指零時，探針就停下來，并把該位置復印在白紙上，把這些小點用平滑曲線連在一起，就是等勢線C．將一個探針壓在某一個基準點上，讓另一個探針在導電紙上慢慢滑動，滑到一個位置電流表指針無偏轉時，這點就是該基準點的等勢點，把這一位置復印在白紙上后，就以這一點為新的基準點，再探查新的等勢點，依次在每側得5個等勢點D．將一個探針壓在某一個基準點上，讓另一個探針在導電紙上慢慢移動，當電流表指針無偏轉時，就找到一個等勢點，把這一位置復印在白紙上，然后再探查新點答案：D4．本實驗中，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點接觸并在附近移動，當探針在基準點時，記下電壓表的示數U，當探針在基準點附近移動到某點時，若電壓表示數也為U，則說明該點的電勢與基準點電勢相同．在“用描跡法畫出電場中平面上的等勢線”的實驗中，根據不同的實驗原理應相應選取不同的測量電表，下列選項正確的是________．A．若用“等電勢差”描繪等勢線，用電壓表B．若用“等電勢”描繪等勢線，用靈敏電流表C．用靈敏電流表描繪等勢線時，兩探針可分別與電極接觸D．用電壓表描繪等勢線時兩探針可分別與電極接觸E．用電壓表描繪的等勢線與用電流表描繪的等勢線形狀不同解析：根據實驗原理可知A、B正確．兩探針分別與電極接觸，電壓表示數為兩極間電壓并且不變，所以C、D不正確．等勢線形狀由場的分布決定而與測量方法無關，所以E不正確．答案：AB5．某校高中學生在做“用描跡法畫出電場中平面上的等勢線”實驗中遇到了下列幾個問題，請幫忙分析問題出現的原因。(1)連接好線路后，無論怎樣移動表針，靈敏電流表指針都不偏轉，可能原因是

.(2)在用靈敏電流表尋找等勢點的過程中，靈敏電流表指針左、右擺動．很多次移動探針才能找到某基準點的一個等勢點，可能原因是

.(3)通過實驗描繪出的等勢線出現畸形，可能原因是

.(4)實驗時有些小組同學將兩電極都連在了電源的同一極上，想通過實驗描繪出孤立正電荷(或負電荷)的等勢線，結果實驗失敗，可能原因是

.解析：(1)忘記接通電源、電路處于斷路、電流表損壞、導電紙放反等．(2)實驗前對等量異種電荷的電場等勢線特點了解不夠．盲目移動探針尋找等勢點．(3)靈敏電流表不夠靈敏、導電紙導電層不夠均勻，實驗過程中實驗線路接觸不良．(4)此時導電紙上不能形成電流，也沒有形成正電荷(或負電荷)的電場，可用一個導體環(huán)和放在圓心的一個電極，分別連接電源的正、負極來描繪負、正點電荷形成的等勢線．答案：見解析6．圖9(1)所示是靈敏電流表的內部結構原理圖，圖9(2)所示是“描繪電場中等勢線”的實驗器材，請用實線作導線連接實物電路圖．圖9解析：選擇靈敏電流表(－，G0)，實物圖連接如下：圖10答案：見解析7．如圖11在