2011年高考物理一轮复习极品课件9-实验1用描迹法画出电场中平面上的等势线

实验用描迹法画出电场中平面上的等势线一、实验目的1.学习用恒定电流场模拟静电场的方法，学会用描迹法画出电场中平面上的等势线；2.验证电场中各点的电势是顺着电场线方向逐渐降低的；3.理解对等势线和电场线相互垂直、等势线不会相交等性质．二、实验原理静电场的场强分布可以用电场线进行描述，而等势面(线)与电场线相垂直，通过实验测绘出电场的等势面(线)，就可以描绘出电场线．由于静电场中不存在电流，一般磁电式测量仪表，在有电流时才会有反应，因此难以确定静电场的等势线．恒定电流的电荷分布和电磁场均不随时间变化，所以在均匀电介质中恒定电流的电场和静电场相似，利用其相似性，可以用恒定电流的电场模拟静电场，进行静电场的实验研究．接到直流电源两端的小圆柱形电极之间形成的恒定电场，可以用来模拟等量异种电荷之间的静电场．实验中确定等势点的根据是：当两点电势相等时，连接该两点间的导线上无电流通过，否则将有电流从高电势点流向低电势点．三、实验器材学生电源(J1202型或J1202－1型)或干电池4节，灵敏电流表(J0409型或J0409－1型，零刻度在中间)，圆柱形电极两个，导电纸、复写纸、白纸各一张，一对探针，一块木板，导线、开关、图钉等．四、实验步骤1．实验原理图如图1所示，、复写纸、，将导电纸有导电物质的一面向上，，将圆柱形电极放在导电纸上，并使两个电极相距10cm，将电极与电压为6V的稳压输出电源相连；2.在导电纸平面的两个电极连线上，选取间距大致相等的五个点作为基准点，并用探针把它们的位置复印在白纸上；3．从灵敏电流表的两个接线柱上引出两个探针，合上开关后，将一个探针固定压在一个基准点，然后在导电纸平面两电极连线的一侧，距离此基准点约1cm处再选一个点，将另一个探针放在新试探的点处，观察电流表的指示，当移到某点电流计示数为零时，此点即为基准点的等势点，稍用力将这点的位置复印到白纸上；4．如此在基准线的两侧各找5～7个等势点，每个等势点大约相距1cm.换上另一个基准点后继续找该基准点的等势点，直到所有基准点都在基准线两侧找到5～7个等势点为止；5．取出白纸，沿各个基准点的等势点连成平滑的曲线即可得到五条等势线，如图2所示；6．利用电场线与等势线垂直的性质，绘出等量异种电荷的电场中的电场线．五、注意事项1.对于导电纸，注意以下内容：(1)导电纸不能折叠，注意保持它的清洁，否则导电纸上的导电物质的分布将不均匀，影响等势点的分布，严重时会出现断路；(2)安装器材时导电纸有导电物质的一面应该向上；(3)整个实验过程中导电纸不要移动．2.两个圆柱电极应一样大，直径为1厘米．电极要与导电纸充分接触好，实验过程中电极位置不能变动，否则导电纸上的电场分布会发生变化，造成较大的误差．为此，可以增大电极对导电纸的压力，或在导电纸下多垫几张白纸；3.在探测与某一基准点电势相等的其他各点时，与该基准点相接触的探针要固定不动；4.绝不允许将两探针同时分别接触两电极，以防烧坏电流表；5.灵敏电流表应该选用内阻较小的，如J0409型表，为使实验中能迅速判断测试点电势的高低，实验前最好判断电流流向与指针的偏转关系(如电流左进指针左摆或电流左进指针右摆)；6.用电压表(代替电流表)确定基准点的等势点时，一定要选用高内阻的电压表，同时注意接线柱的极性．因为导电纸的电阻率较大(每厘米间的电阻约2千欧)，用低内阻的电压表测量时，它的分流作用将使导电纸上的电场发生较大的变化，造成电压表显示的电势值比电场中该点的真实值小，引起误差；7.用探针找等势点时，既要防止因电流太大把灵敏电流表烧坏，又要仔细观察，把等势点找准．六、误差分析1.从实验原理及实验过程中可以得出，电流表的精度是本实验产生误差的主要因素之一，所以实验时要注意选用精度较高的电流表；2.电极与导电纸是否接触良好也是本实验产生误差的主要因素之一，所以安装电极时可以在木板上加垫3～5张白纸；3.导电纸是否符合要求也是本实验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才能使电极本身成为等势体；导电涂层要均匀，纸上导电性能才能一致，否则会使测绘出的等势线产生畸变．七、实验改进本实验中可用电压表代替灵敏电流表：1.实验原理、步骤相当，只是第三步“等势点探测”作调整．2.第三步“等势点探测”调整为：(1)将电压表负极接负极柱电极B，电压表正极接一探针．(2)先测某基准点电压，然后在基准点左右两侧找使电压表读数相同的点，该点即为等势点．(3)依次变换基准点，找到相应的等势点．3.电压表法与灵敏电流表法相比，有以下优劣：(1)电压即电势差，用电压表法更便于理解接受，同时也易于寻找等势点．(更直观)(2)电表的安全性更有保证，操作起来更方便、放心．(因电压表内阻很大)(3)只是电压表法测出的误差大，不及灵敏电流表准确.【例1】在用电流场模拟静电场描绘电场等势线的实验中(1)在下列所给出的器材中，应该选用的是________(用器材前的字母表示)．A．6V的交流电源B．6V的直流电源C．100V的直流电源D．量程0～0.5V，零刻线在刻度盘中央的电压表E．量程0～300μA，零刻线在刻度盘中央的电流表F．量程0～0.5mA，零刻线在刻度盘中央的电流表(2)在实验过程中，要把复写纸、导电纸、白纸铺在木板上，它们的顺序是(自上而下)________、________、________且导电纸有导电物质的一面应________(填“朝上”或“朝下”)．(3)在实验中，按下开关，接通电路．若一个探针与基准点接触，已分别在基准点O要的两点a、b(如右图所示)，与a点接触时，电流表的指针应________(填“左偏”“指零”或“右偏”)；当此探针与b点接触时，电流表的指针应________(填“左偏”“指零”或“右偏”)．(4)实验中，若两探针接触纸面任意两点，电流表都不偏转．试分析可能的情况．【解析】(1)本实验直接描绘等量正、负电荷静电场的电场线很困难，所以用到的设计思想是什么？答等效替代法．(2)用平面导电纸上的什么场来模拟真空中的静电场？答直流电流产生的恒定电流场．(3)考虑到实验操作时的安全性，应该采用高压还是低压电源？答低压直流电源．(4)为了能较准确找出等势点，应该采用小量程电流表还是大量程电流表？答小量程电表比较准确，只有电流表量程足够小，才能准确寻找等势点．量程为300μA的电流表可满足准确寻找等势点的要求．(5)复写纸、导电纸、白纸在本实验中各自的作用是什么？答复写纸是用来把导电纸上找到的与基准点等势的点复印到白纸上．因为导电纸导电，可用等量正负电荷在其上形成的恒定电流场来模拟静电场，当灵敏电流表的两个探针在导电纸上轻轻滑动的过程中出现指针指零时，就可用探针将该点位置压印到白纸上．白纸用来记录等势点位置，通过描点作图法描绘电场中一个平面上的等势线．所以，合理的顺序(自上而下)是导电纸、复写纸、白纸．(6)操作时探针是在导电纸的上面还是下面滑动的？答在上面，这样才能让导电纸与灵敏电流表形成闭合回路，让电流通过电流表以检测两个探针所在位置电势是否相等．故有导电物质的一面应朝上．(7)两个探针在本实验中的目的和作用是什么？“所需要的两点a、b”中“需要”二字是什么含义？答两个探针在实验中主要是用来寻找等势的两点．a、b两点均与基准点O电势相等.(8)两个等势点间的电压为多少？答加在两个等势点之间的灵敏电流表中无电流通过，指针指零，电压为零．(9)“若两探针接触纸面任意两点”中“任意”二字有什么含义？答有两种含义：一是这两点电势可能相等；二是这两点电势可能不相等．(10)电流表什么情况下才偏转？答第一，电流表本身是好的；第二，电流表两端要有电压；第三，电路要是闭合的回路，各部分接触良好．【答案】(1)BE(2)导电纸、复写纸、白纸朝上(3)指零指零(4)可能原因有：电表坏了；导电纸有导电物质的一面朝下；电源未接上，电极与导电纸没有接触好等．【例2】在“描绘电场中平面上的等势线”实验中，有以下一些步骤：A．在平板上先铺上白纸，再铺上复写纸，然后铺上导电纸B．在导电纸上画出两电极的连线C．将灵敏电流表的一个探针接一个电极，用另一个探针接触导电纸，缓慢移动，可找出一系列等势点D．安好电极，接好电路E．在两电极a、b的连线上，等距离地取五个基准点c、d、e、f、g，并复印在白纸上，如右图所示．F．电流表的一个探针接触某个基准点不动，另一个探针缓慢地移动到电流表不偏转时，复印此点，即可找出许多等势点G．闭合开关(1)选择合理的步骤，并按顺序排列为：_____________.(2)若没有灵敏电流表，是否可以用内阻较大的电压表代替？________(填“能”或“不能”)．如能用电压表代替，其具体做法又如何？【解析】(1)这个实验的实验原理是什么？第一步应该怎样做？答用导电纸上的稳恒电流场代替静电场．第一步是A.(2)怎样才能在这个电场中画出几条不同的等势线？答在导电纸上画出两电极的连线，再在两电极a、b的连线上等距离地取五个基准点c、d、e、f、g，并复印在白纸上．然后将灵敏电流表的一个探针接触某个基准点不动，另一个探针缓慢地移动直到电流表指针不偏转时，复印此点，即可找出许多等势点．最后将几组等势点分别用平滑的曲线连接起来，就得到了一个平面上的几条等势线．(3)电流表和电压表分别是用来测量什么物理量？答电流表测电流，当电流表串联在闭合回路中，电流表的两接线端存在不为零的电压时，电流表的示数不为零；若两接线端的电势相等即电压为零，则电流表的示数为零；电压表测电压，当把电压表并联在电路中，若电压表的两接线端电势不等存在不为零的电压，则电压表的示数不为零；若两接线端电势相等，则指针指零．(4)能否用电压表寻找等势点？答可以．如果有几个点都与另外一个固定点间的电压相等，那么这几个点是等势点．(5)如何用电压表来寻找等势点？答将电压表的一端引出探针接电源正极(或负极)，另一端引出探针，在基准点及其周围测量，电压表读数相等的点即为等势点．【答案】(1)ADBEGF'(2)能'将电压表的一端引出探针接电源正极(或负极)，另一端引出探针，在基准点及其周围测量，电压表读数相等的点即为等势点.1.关于电场中等势线的描绘的实验注意事项，下列说法中正确的是()A．所用木板的表面应该平整B．在铺放导电纸时，导电面(黑面)应该朝下C．实验过程中，两个电极和导电纸的相对位置应该保持不变，且电极与导电纸应接触良好D．在取基准点和探测等势点时，应尽量使相邻两点之间的距离相等，并且不要使探测点靠近导电纸的边缘【解析】木板表面要平整，电极与导电纸接触良好，所以A、C正确，导电纸边缘的等势线会变形，探测点不要靠近导电纸的边缘，所以D正确，导电纸有导电物质的一面应朝上，所以B错．【答案】ACD2.在等势线的描绘实验中，如果将电源电压降低一些，则以下判断正确的是()A．描绘出的等势线形状与原来相同B．描绘出的等势线形状与原来不同C．基准点之间电势差比原来小一些D．基准点之间电势差比原来大一些【解析】电源电压对等势线的形状并没有影响；如果电源电压降低了，两个电极间的电势差随之降低，基准点之间的电势差当然随之减小．【答案】AC3.如图所示，用电流场模拟静电场描绘电场中的等势线，下列情况能够实现的是()A．如图甲，圆柱形电极A、B均接电源正极，用以模拟等量正电荷的电场B．如图乙，圆柱形电极A接电源正极，圆环电极B接电源负极，用以模拟正点电荷的电场C．如图丙，两平行的长条形电极分别接电源正、负极，用以模拟匀强电场D．如图丁，圆柱形电极A接电源负极，用以模拟负点电荷的电场【解析】图甲、图丁中没有电流通过导电纸，电流场不存在，所以无法模拟；而图乙、图丙中的电流场分别与正点电荷的电场和平行板电容器中的匀强电场相似，所以可以模拟．【答案】BC4.如图所示，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