静电场模拟实验报告5篇范文修改版.docx

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静电场模拟实验报告5篇范文修改版

第一篇：

静电场模拟实验报告

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lA。

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。

稳恒电流场与静电场是两种不同性质的场，但两者在一定条件下具有相似的空间分布，即两种场所各自遵守的规律在形式上相似，都可以引入电势U，电场强度E=－▽U，都遵守高斯定律。

对于静电场，电场强度在无源区域内满足以下积分关系

òò=×0SdErr，

ò=×0ldErr在各向同性的导电介质中，对于稳恒电流场，电流密度矢量（）jEs=在无源区域内也满足类似的积分关系

òò=×0Sdjrr，

ò=×0ldjrr由此可见E和j在各自区域中满足同样的数学规律。

在相同边界条件下，具有相同的解析解。

因此，我们可以用稳恒电流场来模拟静电场，通过测量恒定电流场的电势分布来求得模拟静电场的电势分布。

这种利用几何形状和物理规律在形式上的相似，把不便于直接测量的量在相似条件下用模拟的方法加以间接实现。

3、静电场与稳恒电场的相似性

（1）长同轴带电圆柱体间静电场分布如图2（a）所示，在真空中有一半径为ra的长圆柱体A和一内半径为rb的长圆筒形导体B，它们同轴放置，分别带等量异号电荷。

由高斯定理知，在垂直于轴线的任一截面S，都有均匀分布的辐射状电场线，这是一个与坐标z无关的二维场。

在二维场中，电场强度E平行于xy平面,其等势面为一簇同轴圆柱面。

因此只要研究S面上的电场分布即可。

图2

同轴电缆及其静电场分布

由静电场中的高斯定理可知，距轴线的距离为r

处（见图2b）的各点电场强度为

02Erlpe=

（1）

式中l为柱面单位长度的电荷量，其电势为0ln2arraararUUEdrUrlpe=-=-ò

（2）

设r=rb时，Ub=0，则有

02lnabaUrrlpe=

（3）

将（3）式代入

（2）及

（1）式，得lnlnbrabarrUUrr=

（4）

1lnarrbaUdUErdrrr=-=×

（5）

（2）同轴圆柱面电极间的电场分布若上述圆柱形导体A与圆筒形导体B之间充满了电导率为σ的不良导体，A、B与电源电流正负极相连接（见图3），A、B间将形成径向电流，建立稳恒电流场Er′，可以证明不良导体中的电场强度Er′与原真空中的静电场Er是相等的。

取厚度为t的圆轴形同轴不良导体片为研究对象，设材料电阻率为ρ（ρ=1/σ），则任意半径r到r+dr的圆周间的电阻是22drdrdrdRsrttrrrrpp=×=×=×

（6）

则半径为r到rb之间的圆柱片的电阻为ln22bbrbrrrrdrRtrtrrrpp==ò

（7）

图3

同轴电缆的模拟模型

总电阻为（半径ra到rb之间圆柱片的电阻）ln2abbrrarRtrrp=

（8）

设Ub=0，则两圆柱面间所加电压为Ua，径向电流为2lnabaabrraUtUIrRrpr==

（9）

距轴线r处的电势为lnlnbbrrrabarrUIRUrr¢==

（10）

则rE¢=1lnarbaUdUrdrrr¢-=×

（11）

由以上分析可见，Ur与Ur′，Er与Er′的分布函数完全相同。

为什么这两种场的分布相同呢？

我们可以从电荷产生场的观点加以分析。

在导电介质中没有电流通过的，其中任一体积元（宏观小，微观大，其内仍包含大量原子）内正负电荷数量相等，没有净电荷，呈电中性。

当有电流通过时，单位时间内流入和流出该体积元内的正或负电荷数量相等，净电荷仍为零，仍然呈电中性。

因而，整个导电介质内有电流通过时也不存在净电荷。

这就是说，真空中的静电场和有稳恒电流通过时导电介质中的场都是由电极上的电荷产生的。

事实上，真空中电极上的电荷是不移动的，在有电流通过的导电介质中，电极上的电荷一边流失，一边由电源补充，在动态平衡下保持电荷的数量不变。

所以这两种情况下电场分布是相同的。

4、静电场的测绘方法

由电磁学理论可知，场强E在数值上等于电势梯度，方向指向电势降落方向。

考虑到E是矢量，而电势U是标量，从实验测量来讲，测定电势比测定场强容易实现，所以可先测绘等势面（线），然后根据电场线与等势面（线）正交的原理，画出电场线，并且可由等势线的间距确定电场线的疏密和指向，将抽象的电场形象地反映出来。

例如：

（1）无限长的带异号电荷同轴柱面的电场分布（例如同轴电缆）：

其静电场分布的特点是：

①、对称性：

电场的分布局限在两圆柱面之间的环形区域内，并具有轴对称性的特点；②、与z轴无关。

在圆环B中放一层自来水，在电极上加－U和＋U，由于对称性，该电流场等势面都是同心圆，场中的等势线和电场线分布的图形见图4。

图4

图5

（2）两根平行带等量异号电荷的的长直导线的电场分布：

两根导线A、B各带等量异号电荷，其上电势分别为＋U和－U，其静电场分布的特点是：

①、对称性，等电势面是以OO′面对称分布的，电场中等势面和电场线分布如图5所示；②、与z轴无关。

做实验时，是以导电率适合的自来水，填充在两极之间。

若在两电极上加一定的电压，就可以测出自来水中两个电极之间电流场的等势线分布，从而画出电场线的分布。

【指导与要求】

一、实验步骤1、描绘同轴圆柱面的电流场分布：

（1）按图6连接好电路

（2）在水槽中注入适量的自来水。

（3）移动探针，将P在水中测得的各电势相同点，通过按下指针P′打出印迹，同步地记录在坐标纸上。

测出电流场中各条等位线（如图4所示）。

例如：

测出电势为0V，2.00V，4.00V，6.00V的等势线，每一电势对称地测6~12个点，然后把各点连成等势线，再画出电场线，并标出场强的方向。

2、描绘带电直导线的电流场分布：

方法同上。

要求：

要按图5对称地测出5条等势线并画出电场线。

二、数据记录及处理

1、将描出的各图贴在实验报告上。

2、结论

（1）、根据实验结果，说明同轴柱面的电流场分布特点：

①、各同心圆上的电势都

。

②、电场线都是从

极指向

极，且与

垂直。

③、应用上述原理说明同轴电缆的作用。

（2）、说明带电直长导线电流场分布特点。

【思考与练习】

1、如果电源电压不稳定，对等势线的描绘有影响吗？

将极间电压的极性交换一下，所作的等势线有变化吗？

2、做电势测量时能用低内阻电压表吗？

图6

第二篇：

静电场复习学案

静电场复习学案

一、电荷及其守恒定律

1物体带电的实质是__________的得失。

得到_______的物体带____电荷，失去_______到的物体带____电荷。

2使物体带电的方式有_____________，______________，_______________。

3摩擦起电是使相互摩擦的两个物体________带上了__________、_________电荷。

物体带电种类具有_________。

摩擦起电适用于_________体。

4两个完全相同的小球相互接触后，总电荷量_________。

5静电感应是指：

当一个带电体靠近导体时，由于电荷间的相互_______或_________，导体中的_________便会靠近或远离带电体，使导体靠近带电体的一端带_________电荷，远离带电体的一端带_________电荷，这种现象叫做静电感应。

结果使得：

导体两端________带上了__________、_________电荷。

6当导体与地连接时，此时近端_______，远端变为_______。

与地连接的方式有1_______2_______。

7电荷既不能_______，也不能_______，只能从一个物体_______到另一个物体，或者从物体的一部分_______到物体的另一部分，在转移的过程中，电荷的_______保持不变，这个结论叫电荷守恒定律。

电荷守恒定律也常常表述为：

一个与外界没有电荷交换的系统，电荷的_______总是保持不变的。

二、库仑定律

1．库仑定律

（1）_______中的两个_______的_______之间的相互作用力与它们电荷量的乘积成正比，与它们距离的二次方成反比，作用力的方向在他们的连线上。

电荷之间的相互作用力称之为静电力或库伦力。

计算公式为______________。

（2）当带电体的距离比他们的自身大小大得多以至于带电体的形状、大小、电荷的分布状况对它们之间的相互作用力的影响可以_______时，这样的带电体可以看做带电的点，叫_______。

类似于力学中的质点，也是一种_______的模型。

2三电荷在同一直线上达到平衡的条件是：

两_____夹_____，两_____夹_____。

三、电场的力的性质

1试探电荷的条件是：

一_______________，二_______________。

2．电场强度

（1）定义：

放入电场中的某一点的检验电荷受到的_________跟它的_________的比值，叫该点的电场强度。

（2）公式：

_________此公式适用于__________电场。

（3）方向：

电场强度是矢量，规定某点电场强度的方向跟_______在该点所受静电力的方向相同。

与_______在电场中受的静电力的方向相反。

2．点电荷的电场

（1）公式：

______此公式适用于______________电场，其中Q为_______。

（2）以点电荷为中心，r为半径做一球面，则球面上的个点的电场强度______相同______不同。

3．电场强度的叠加

如果场源电荷不只是一个点电荷，则电场中某点的电场强度为各个点电荷_______时在该点产生的电场强度的矢量和。

4．电场线

（1）电场线是画在电场中的一条条的_______的曲线，曲线上每点的切线方向，表示该点的_______的方向，电场线不是实际存在的线，而是为了描述电场而_______的线。

（2）电场线的特点

电场线从_______或从_______处出发，终止于_______或_______；电场线在电场中不_______；电场线在没有电荷的地方不_______；导体表面的电场线与导体表面_______；在同一电场里，电场线越密的地方_______；匀强电场的电场线是均匀的______________线。

（3）电场线与运动轨迹重合的条件是：

一电场线_______，二初速度为_______或初速度的方向沿_______，三物体只受_______或还受其他力，但其他力的和力______________。

（4）等量同种点电荷连线上电场的特点是______________，中垂线上电场的特点是_______。

等量异种点电荷连线上电场的特点是______________，中垂线上电场的特点是_______。

四、电势能和电势1．电场力做功的特点

电场力做功与________无关，只与_____________________有关。

2电势能：

电荷在电场中具有的能，叫做电势能。

电荷在电场中某点电势能的大小，等于_______把它从_____点移动到_______位置时所做的功。

电势能的大小具有_______性，与_______有关。

3电场力做功与电势能的关系：

电场力做_______功，电势能_______；电场力做_______功，电势能_______；公式WAB____________________。

3．电势

（1）电势是表征电场性质的重要物理量，某点电势等于电荷在电场中的电势能与它的电荷量的比值。

2）公式：

__________（与试探电荷无关）计算时应注意：

____________________。

（3）电势与电场线的关系：

沿着电场线电势__________。

（4）零电势位置的规定：

电场中某一点的电势的数值与__________的选择有关，大地或无穷远处的电势默认为零。

电势能和电势都是______量，只有_______，没有________。

但有__________。

3．等势面

（1）定义：

电场中电势__________的点构成的面。

（2）特点：

一是在同一等势面上的各点__________相等，所以在同一等势面上移动电荷，电场力__________；二是电场线一定跟等势面__________，并且由电势__________等势面指向电势__________等势面。

三是在电场线密集的地方，等差等势面__________，在电场线稀疏的地方，等差等势面__________。

四是不同的等势面永不_______。

（3）等量________点电荷电场中关于中垂线对称点的电势相等，等量_______点电荷电场中垂线上各点的电势相等且为零（设无穷远处为零电势点）。

五、电势差与电场强度的关系

1电势差是指电场中两点间电势的差值。

公式UAB__________，UBA__________，__________2电势差与静电力做功的关系：

WAB____________________，UAB__________使用以上公式时应注意____________________3电势差与电场强度的关系为_________________，此公式只适用于__________。

其中d指_______________________。

4电势降落最快的方向为__________________，但电势降落的方向不一定沿着____________。

5在匀强电场中沿着任一条直线，电势的降落都是____________。

六、静电现象的应用

1静电平衡状态下导体的特征

（1）内部场强___________，指的是___________和___________的合场强为___________。

（2）导体表面的电场线与导体表面___________，在导体表面移动电荷，电场力___________。

（3）静电平衡状态下，导体是个___________，其表面是个___________2静电平衡时，导体上的电荷分布为：

一导体内部____________电荷只分布在__________。

二在导体表面越_________的位置，电荷的密度越__________，__________的位置几乎没有电荷。

3静电屏蔽，把一个电学仪器放在封闭的金属壳里，即使壳外有电场，由于静电感应，壳内场强___________，外电场对壳内的仪器__________产生影响。

金属壳的这种作用叫做静电屏蔽。

4注意，当金属壳未接地时，金属壳只能屏蔽_______对_______的影响，当金属壳接地时，金属壳既能屏蔽_______对_______的影响，又能屏蔽_______对_______的影响。

5当一带电小球与一金属壳的内表面接触时，此时，带电小球被看作___________的一部分，电荷全部分布在______________，这时原来的带电小球_______。

七电容器的电容

1．电容器：

任何两个彼此_______又____________的导体都可以看成是一个电容器。

（最简单的电容器是平行板电容器，金属板称为电容器的两个_______，绝缘物质称为_______）

2.电容器充电的方式为：

______________，充电时电流_______由流向_______，充电结束后，两极板分别带上了______________，电荷分布在相对的两极板的_______侧。

两极板间的电压为__________。

两极板间的匀强电场：

___________充电实质上是___________的过程。

3电容器放电的方式为：

______________，放电时电流_______由流向_______，放电时，两极板上的电荷相互_______。

放电实质上是___________的过程。

4.电容：

电容器所带的电荷量Q与电容器两极板间的电势差U的比值

表达式：

_____________，此公式适用于_____________，其中Q指_____________5.平行板电容器电容公式：

_____________，此公式适用于_____________。

6.若平行板电容器的电压恒定时，Q=___________，E=___________7.若平行板电容器的电荷量恒定时，U=___________，E=___________8注意：

在电容器中插入金属板（金属导体）或玻璃（绝缘体）都会引起C发生变化，但改变电容的原因不一：

插入玻璃（绝缘体）会使电容器中的__________变大，致使C_____；插入厚度为L的金属板，由于静电感应，金属板内电场强度__________，由U=__________，得，金属板上下表面间没有电势降，因此电容器两极板间的距离不再是d，而是d-L。

所以插入金属板，相当于通过__________距离，而使电容器的电容C__________。

八、带电粒子在电场中的运动

1．加速：

____________________，若初速度为零，末速度V=__________。

2．偏转：

当带点粒子垂直进入匀强电场时，带电粒子做类平抛运动，若平行板的长度为L，宽度为d。

那么：

粒子在电场中的运动时间_________粒子在y方向获得的速度_________粒子在y方向的位移__________________粒子的偏转角：

tanθ=________________若加速电压为U1，偏转电场U2，粒子在y方向的位移___________，粒子的偏转角：

tanθ=____________。

3.初速度为_______的不同的带电粒子经过同一电场的加速和同一电场的的偏转后，带电粒子在电场中的____________和____________总相同。

4.示波器的核心部件是示波管，示波管的结构大致分为三部分：

___________、___________、___________。

第三篇：

大学物理静电场总结

第七章、静电场

一、两个基本物理量（场强和电势）

1、电场强度

⑴、试验电荷在电场中不同点所受电场力的大小、方向都可能不同；而在

同一点，电场力的大小与试验电荷电量成正比，若试验电荷异号，则所受电场力的方向相反。

我们就用FqF来表示电场中某点的电场强度，用qE表示，即E=

对电场强度的理解：

①反映电场本身性质，与所放电荷无关。

②E的大小为单位电荷在该点所受电场力,E的方向为正电荷所受电场力的方向。

③单位为N/C或V/m

④电场中空间各点场强的大小和方向都相同称为匀强电场⑵、点电荷的电场强度

以点电荷Q所在处为原点O,任取一点P（场点）,点O到点P的位矢为r,把试验电荷q放在P点,有库仑定律可知,所受电场力为：

E=F1Q=2q4pe0r⑶常见电场公式

无限大均匀带电板附近电场：

E=s2e0

2、电势

⑴、电场中给定的电势能的大小除与电场本身的性质有关外，还与检验电荷有关，而比值Eqpa0则与电荷的大小和正负无关，它反映了静电场中某给

定点的性质。

为此我们用一个物理量-电势来反映这个性质。

即V=⑵、对电势的几点说明

①单位为伏特V②通常选取无穷远处或大地为电势零点，则有:

V=Eqp

0Eqp=òE·dr

p¥0即P点的电势等于场强沿任意路径从P点到无穷远处的线积分。

⑶常见电势公式

点电荷电势分布：

V=

半径为R的均匀带点球面电势分布：

V=q4pe0Rq4pe0rq4pe0r

（0£r£R）

（r³R）

V=

二、四定理

1、场强叠加定理

点电荷系所激发的电场中某点处的电场强度等于各个点电荷单独存在时对该点的电场强度的矢量和。

即

E=E1+E2+...+En

2、电势叠加定理

V1、V2...Vn分别为各点电荷单独存在时在P点的电势点电荷系的电场中，某点的电势等于各点电荷单独存在时在该点电势的代数和。

3、高斯定理

在真空中的静电场内，通过任意封闭曲面的电通量等于该闭合曲面包围的所有电荷的代数和除以e0

说明：

①高斯定理是反映静电场性质的一条基本定理。

②通过任意闭合曲面的电通量只取决于它所包围的电荷的代数和。

③高斯定理中所说的闭合曲面，通常称为高斯面。

三、静电平衡

1、静电平衡

当一带电体系中的电荷静止不动，从而电场分布不随时间变化时，带电体系即达到了静电平衡。

说明：

①导体的特点是体内存在自由电荷。

在电场作用下，自由电荷可以移动，

从而改变电荷分布；而电荷分布的改变又影响到电场分布。

②均匀导体的静电平衡条件：

体内场强处处为零。

③导体是个等势体，导体表面是个等势面。

④导体外靠近其表面的地方场强处处与表面垂直。

2、静电平衡时导体上的电荷分布

在达到静电平衡时，导体内部处处没有净电荷，电荷只分布在导体的表面。

说明：

①在静电平衡状态下，导体表面之外附近空间的场强E与该处导体表面的面电荷密度s的关系为：

E=se

0③表面曲率的影响（孤立导体）表面曲率较大的地方（突出尖锐），s较

大；曲率较小的地方（较平坦），s较小

3、导体壳

①腔内无带电体

当导体壳内没有其他带电体时，在静电平衡下，导体壳的内表面上处处没有电荷，电荷只能分布在外表面；空