实验用描迹法画出电场中平面上的等势线

实验10

用描迹法画出电场中平面上的等势线一、实验目的用描迹法画出电场中一个平面上的等势线．二、实验原理用平面导电纸上的恒定电流场模拟真空中的静电场，当电场中与导电纸接触的两探针尖端的电势差为零时，与探针相连的电流表中电流为零，从而可以通过探针找出电流场中的等势点，并依据等势点描出等势线．三、实验器材学生用低压直流电源或电池组(约6V)，灵敏电流表，开关，导电纸，复写纸，白纸，圆柱形金属电极两个，探针两支，图钉，导线若干，木板．四、实验步骤(1)由下向上依次铺放“三纸”并固定．(2)固定电极、连接电路(如图1(1)所示)．(3)选取、复印五个基准点．(4)探测各基准点的等势点．(5)根据等势点(用平滑的曲线)描绘等势线．如图1(2)．图1五、注意事项(1)灵敏电流计必须选零刻度在中央的．电源必须是直流稳压电源，电压6V.(2)电流表允许通过的电流是很小的．一般不超过几百μA，实验时若指针偏转超过满刻度，应立即切断电源，以防损坏电流表．(3)电流表不要接在电源上，以防偶然出现的大电流烧坏电流表．(4)几种纸的顺序：自下而上是白纸、复写纸、导电纸，导电纸有导电物质的一面向上．(5)两圆柱形金属电极要和导电纸良好接触，且不能太靠近导电纸边缘．(6)寻找等势点的方法，应从基准点附近由近及远逐渐推移，不能大幅度移动．(7)导电纸上的导电物质很薄，寻找等势点时，不要用探针在导电纸上划动，要用点接触法．(8)描绘等势线时要用平滑曲线将各等势点连接起来，不能画成折线．六、误差分析(1)电流表的精度是产生误差的主要因素之一．(2)导电纸是否符合要求也是产生误差的主要因素之一(导电纸的电阻率应远大于金属电极的电阻率，且导电涂层要均匀)．(3)电极与导电纸是否接触良好．(4)圆柱形电极的大小也会给实验带来误差．(一般选直径为1cm的磨平铜柱作电极)题型一对实验步骤的考查[例1]如图2所示，是“用描迹法画出电场中平面上的等势线”的实验装置，其中a、g为________，分别用来模拟__________；当电流从红色探针流入灵敏电流表G时，其指针向右偏转，如图当红色探针接在e点时，黑色探针处于图示位置，发现灵敏电流表指针向左偏转，将黑色探针向__________移动，就能找到其等势点．图2[分析]

利用电流的流动特点去判断，通过电流表的电流总是从高电势处流向低电势处．[解析]

a、g为电极，分别用来模拟正、负点电荷．已知当电流从红色探针流入电流表时，指针向右偏，现在发现指针向左偏了，说明电流从黑色探针流入电流表了，即黑色探针接触的位置的电势比e点高，又知左边电势比右边高，要想找到和e点等势的点，应将黑色探针向右移动．[答案]

电极正、负点电荷右规律总结：判断探针移动方向时，除搞清电流方向与电势高低关系外，还须弄清：①哪点电势高；②电流从哪个探针流入电流表；③电流表指针偏转方向与电流方向间的关系．如图3所示为描绘电场中平面上等势线的装置，图中A、C、P、D、B等相邻两点间距相等，其中A、B为金属圆柱．当电流从正接线柱流入电流表G时，其指针向正接线柱一侧偏转．当探针(Ⅰ)接在D点，探针(Ⅱ)接在导电纸上某点时，电流表G指针向负接线柱一侧偏转．为了尽快寻找等势点，探针(Ⅱ)应__________移动．(选填“向左”或“向右”)图3解析：如题图所示，电流表指针向负接线柱一侧偏转，说明电流是由负接线柱流入电流表，此时，探针(Ⅱ)与导电纸的触点电势比D点电势高．观察图中实验装置知，金属圆柱A、B分别与电源负极、正极相接，在导电纸上自右向左各点电势逐渐降低，要使探针(Ⅱ)寻找到与探针(Ⅰ)触点D电势相等的点，应将探针(Ⅱ)向左移动．答案：向左题型二对实验原理的考查[例2]如图4所示，图中给出的器材为：电源E(电动势为12V，内阻不计)、木板N(板上从下往上依次叠放白纸、复写纸、导电纸各一张)，两个金属条A、B(平行放置在导电纸上，与导电纸接触良好，用作电极)，滑动变阻器R(其总阻值小于两平行电极间导电纸的电阻)，直流电压表V(量程为6V，内阻很大，其负接线柱与B极相连，正接线柱与探针P相连)，开关S.现要用图中仪器描绘两平行金属板AB间电场中的等势线．AB间的电压要求取为6V.

图4(1)在图中连线，画成实验电路原理图；(2)下面是主要的实验操作步骤，将所缺的内容填写在横线上方．a．接好实验电路．b．________________________________________________________________________.c．合上S，并将探针P与A相接触．d．________________________________________________________________________.e．用探针压印的方法把A、B的位置标记在白纸上．画一线段连接AB两极，在连线上选取间距大致相等的5个点作为基准点，用探针把它们的位置压印在白纸上．f．将探针与某一基准点相接触，__________，这一点是此基准点的等势点．用探针把这一点的位置也压印在白纸上．用相同的方法找出此基准点的其他等势点．g．重复步骤f，找出其他4个基准点的等势点，取出白纸画出各条等势线．[分析]

本题关键要找到“描绘电场中等势线”实验的原理和方法．图5[解析]

(1)AB间电压要求取为6V，而电源电动势为12V，所以变阻器必须作分压器，电路连接如图5所示．(2)b.把变阻器的滑动触头移到靠近D端处；d.调节R，使电压表读数为6V；f.记下电压表读数，在导电纸上移动探针，找出电压表读数与所记下的数值相同的另一点．[答案]

见解析规律总结：本题主要考查匀强电场等势面的特点，以及用模拟等量异种电荷电场的相似方法模拟匀强电场，考查了对知识的迁移能力．“用描迹法画出电场中平面上的等势线”的实验中，在平整的木板上依次铺放白纸、复写纸和导电纸．在导电纸上平放两个圆柱形电极A与B，分别与直流电源的正、负极接好，如图6所示．若以A、B连线为x轴，A、B连线的中垂线为y轴，将一个探针固定在y轴上的某一点，沿x轴移动另一个探针，发现无论怎样移动，灵敏电流表的指针都不偏转，若电源及连线都是完好的，可能的故障是__________．将实验故障排除后，探针从BO间某处沿x轴向电极A移动的过程中，电流表中指针偏转的情况是__________．图6解析：本题主要考查实验的基本原理及实验现象和实验故障的分析能力．导电纸涂导电物质的一面朝下了；偏角逐渐减小到零，再反向偏转，偏角逐渐变大．答案：见解析如图7所示的电路图，可测画出点电荷的等势线．用厚1mm的铝板做一个内径为9cm，外径为10cm的铝环，将导电纸、复写纸、白纸从上到下放好，在其上放上铝环，在中心放上电极B，并使电极、铝环、导电纸三者紧密接触．铝环与电极A相连，如图7所示，当闭合开关S，电流将从接线柱B成放射状流向铝环，形成一个放射状的电流场．如何测画出其中的等势线？图7解析：题中的电流场可用来模拟正点电荷形成的静电场，寻找等势点的方法与模拟等量异种电荷电场的方法类同．答案：在铝环内沿半径取五个等间距的点，用灵敏电流表分别寻找这五个点的等势点，用描迹法描出5条等势线，即5组同心圆1．在“用描迹法画出电场中平面上的等势线”的实验中，在下列所给出的器材中，应该选用的是(

)A．电压为6V的交流电源B．电压为2V的直流电源C．电压为6V的直流电源D．电压为100V的直流电源E．0～0.5V，零刻度在刻度盘中央的电压表F．0～0.6mA的电流表G．0～300μA，零刻度在刻度盘中央的电流表解析：我们选用4～6V的直流电源，所测电流不会超过几百微安．答案：CG2．在用电流场模拟静电场描绘电场中等势线的实验中，如图8所用的电表指针偏转方向与流入电流的关系是：当电流从正接线柱流入电表时，指针偏向正接线柱一侧．一位学生用这个电表探测基准点2两侧的等势点时，把接电表正接线柱的探针E1接触基准点2，把接电表负接线柱的探针E2接触纸上某一点，发现表的指针发生了偏转，为了探测到等势点，则 (

)图8A．若电表指针偏向正接线柱一侧，E2应右移B．若电表指针偏向正接线柱一侧，E2应左移C．若电表指针偏向负接线柱一侧，E2应右移D．若电表指针偏向负接线柱一侧，E2应左移解析：根据等量正、负点电荷等势线的特点可判断B、C正确．答案：BC3．关于探测等势点的操作方法，下列说法中正确的是(

)A．将两个探针压在导电纸上同时慢慢移动，当看见电流表指针没有偏转的时候，手就停止滑动，并把两个表笔的位置同时复印在白纸上，如此反复滑动，便可得到许多等势点，描出等势线B．将一个探针始终与一个圆柱形电极接触，让另一个探针在导电纸上慢慢滑动，每发现电流表指针指零时，探针就停下来，并把该位置复印在白纸上，把这些小点用平滑曲线连在一起，就是等势线C．将一个探针压在某一个基准点上，让另一个探针在导电纸上慢慢滑动，滑到一个位置电流表指针无偏转时，这点就是该基准点的等势点，把这一位置复印在白纸上后，就以这一点为新的基准点，再探查新的等势点，依次在每侧得5个等势点D．将一个探针压在某一个基准点上，让另一个探针在导电纸上慢慢移动，当电流表指针无偏转时，就找到一个等势点，把这一位置复印在白纸上，然后再探查新点答案：D4．本实验中，可以用电压表替代灵敏电流表，方法是：将电压表一端接某一电极，另一端接探针与各基准点接触并在附近移动，当探针在基准点时，记下电压表的示数U，当探针在基准点附近移动到某点时，若电压表示数也为U，则说明该点的电势与基准点电势相同．在“用描迹法画出电场中平面上的等势线”的实验中，根据不同的实验原理应相应选取不同的测量电表，下列选项正确的是________．A．若用“等电势差”描绘等势线，用电压表B．若用“等电势”描绘等势线，用灵敏电流表C．用灵敏电流表描绘等势线时，两探针可分别与电极接触D．用电压表描绘等势线时两探针可分别与电极接触E．用电压表描绘的等势线与用电流表描绘的等势线形状不同解析：根据实验原理可知A、B正确．两探针分别与电极接触，电压表示数为两极间电压并且不变，所以C、D不正确．等势线形状由场的分布决定而与测量方法无关，所以E不正确．答案：AB5．某校高中学生在做“用描迹法画出电场中平面上的等势线”实验中遇到了下列几个问题，请帮忙分析问题出现的原因。(1)连接好线路后，无论怎样移动表针，灵敏电流表指针都不偏转，可能原因是

.(2)在用灵敏电流表寻找等势点的过程中，灵敏电流表指针左、右摆动．很多次移动探针才能找到某基准点的一个等势点，可能原因是

.(3)通过实验描绘出的等势线出现畸形，可能原因是

.(4)实验时有些小组同学将两电极都连在了电源的同一极上，想通过实验描绘出孤立正电荷(或负电荷)的等势线，结果实验失败，可能原因是

.解析：(1)忘记接通电源、电路处于断路、电流表损坏、导电纸放反等．(2)实验前对等量异种电荷的电场等势线特点了解不够．盲目移动探针寻找等势点．(3)灵敏电流表不够灵敏、导电纸导电层不够均匀，实验过程中实验线路接触不良．(4)此时导电纸上不能形成电流，也没有形成正电荷(或负电荷)的电场，可用一个导体环和放在圆心的一个电极，分别连接电源的正、负极来描绘负、正点电荷形成的等势线．答案：见解析6．图9(1)所示是灵敏电流表的内部结构原理图，图9(2)所示是“描绘电场中等势线”的实验器材，请用实线作导线连接实物电路图．图9解析：选择灵敏电流表(－，G0)，实物图连接如下：图10答案：见解析7．如图11在