靜電場的描繪
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靜電場的描繪范文第1篇
靜電場描：繪實驗是高等院校普遍開設的一個基本的電磁學實驗，因為直接測量靜電場會因測量儀器的介入導致原靜電場發生畸變而對其測量帶來很大的困難，而穩恒電流場在導體中的分布規律和真空中靜電場電勢的分布規律完全相似。因此，通常是用穩恒電流場來模擬靜電場，稱這種方法為模擬法描繪靜電場。
傳統的靜：電場描繪實驗裝置中，電極之問的導電介質通常用導電紙。目前，也有不少裝置采用水來代替導電紙，但這兩種方法均存在一系列的缺陷，導致描繪誤差太大，嚴重影響了實驗的效果。
針對以上兩種介質存在的問題，我們對靜電場描繪儀作了改進：以鍍有ITO膜的導電玻璃作為電極之間的導電介質，采用雙層探針直接記錄各等勢點坐標，通過描點的方法來描繪電場。我們對改進后的靜電場描繪儀進行反復試驗，效果很理想。
一、理論依據
導電介質中穩恒電流場和真空中靜電場的電勢都滿足拉普拉斯方程。給定邊值的拉普拉斯方程有唯一解，如果這兩種處于相同的邊值條件下，則它們的解是相同的。因而，可以用均勻導電介質中的電流場來模擬真空中具有相應分布的靜電場。
兩個通以穩恒電流的同心圓環電極可以用來模擬兩個帶等量異號電荷的無限長同軸圓柱面問的電場分布。很容易證明在這種情況下有式中a，b分別為內外圓環電極的半徑，Ua為兩極間的電勢差，u為穩恒電流場中距圓心r處的電勢。
二、傳統的描繪儀及其存在的缺陷
傳統的靜電場描繪儀如圖所示，一般有兩種做法一種是采用涂有石墨的導電紙作為電介質，通過探針和定位針，實現定量記錄和數據分析，另一種是用水來代替導電紙作電介質，方法是在一個透明的有機玻璃水槽中固定電極，然后在水槽中裝上適量的水，放到實驗架的下層進行實驗。
1．前一種描繪儀存在的缺陷
(1)導電紙上導電薄層涂得不均勻，導電紙電阻在各個方向均勻性較差，這樣電流場分布與被模擬靜電場分布不完全一樣，使得實驗準確度，重復性較差。
(2)電極與導電紙的接觸不均勻以及探針與導電紙的接觸因人次數而異，使得接觸電阻不穩定，影響描繪結果。
(3)測量時，探針在導電紙點接觸移動且重復接觸，使得導電紙破損，這樣一方面直接影響導電紙的導電性能，影響實驗效果，另一方面影響導電紙的使用壽命，頻繁更換導電紙，加大實驗成本。
由于存在這些缺陷，所以用此描繪儀測得的結果誤差比較大，模擬靜電場的效果不是很理想。是用一張全新的導電紙作為電介質模擬的結果。若為反復使用過的導電紙，誤差更大。
2．后一種描繪儀存在的缺陷
以水作為電介質可以減少導電紙電介質的不足，但由于水自身的特點，不可避免存在以下的缺陷：
(1)水是弱電解質，在外加直流電源的作用下，電解產生氫氣和氧氣，這些氣體以氣泡的形式附在電極表面。這樣，一方面使得內、外電極表面區域偏離模擬條件，另一方面氧氣會使陽極表面氧化，覆蓋在電極上的氧化層與水的電阻率不同，影響模擬效果。再者，未電解的離子也會產生與外電壓方向相反的電壓來破壞模擬條件。
(2)水是有極分子，在外電場作用下產生位移極化和取向極化。兩種極化都使得內外電極表面出現束縛電荷，束縛電荷要在水介質內產生與外電場方向相反的附加電場，因此破壞了模擬條件。
(3)每次實驗都要更換水槽中的水，且水槽中水的多少還影響模擬的效果，這樣給學生實驗帶來極大的不方便。
因此，用水作為電介質來做這個實驗也不是很理想。
三、改進的描繪儀及其優點
針對上述傳統描繪儀的缺陷，我們對傳統靜電場描繪儀作了一些改進。我們的做法是選用合適的鍍有ITO膜的導電玻璃來代替傳統的導電紙或水，將其作為兩電極問的電介質。我們選用的這種電介質和傳統的兩種電介質相比，至少具有以下優點：
1． ITO膜導電層是采用真空鍍膜技術形成的，表面均勻性和電阻均勻度均較好，模擬條件良好，提高了實驗的準確性。
2． ITO膜導電層耐磨性好，不會因為和探針的反復接觸而被破壞，這樣既提高了實驗的可重復性，又避免了頻繁更換實驗耗材，延長了儀器的使用壽命，節約了實驗成本。
3．用ITO膜的導電玻璃代替水作為電介質，可以完全克服水的缺點，達到最佳的模擬條件。
四、結論
靜電場的描繪范文第2篇
一、直接比較法
高中物理的某些實驗，只需定性地確定物理量間的關系，或將實驗結果與標準值相比較，就可得出實驗結論的，這即是直接比較法。如在“研究電磁感應現象”的實驗中，可在觀察記錄的基礎上，經過比較和推理，得出產生感應電流的條件和判定感應電流方向的方法。
二、等效替代法
等效替代法是科學研究中常用的一種思維方法。對一些復雜問題采用等效方法，將其變換成理想的、簡單的、已知規律的過程來處理，常可使問題的解決得以簡化。因此，等效法也是物理實驗中常用的方法。如在“驗證力的平行四邊形定則”的實驗中，要求用一個彈簧秤單獨拉橡皮條時，要與用兩個彈簧秤互成角度同時拉橡皮條產生的效果相同――使結點到達同一位置O，即要在合力與分力等效的條件下，才能找出它們之間合成與分解時所遵守的關系――平行四邊形定則；在“碰撞中的動量守恒”實驗中，用小球的水平位移代替小球的水平速度；畫“電場中等勢線”分布時用電流場模擬靜電場；“驗證牛頓第二定律”時調節木板傾角，用重力的分力抵消摩擦力的影響，等效于小車不受阻力等等。
三、控制變量法
控制變量法即在多因素的實驗中，可以先控制一些物理量不變，依次研究某一個因素的影響。如牛頓第二定律實驗中可以先保持質量一定，研究加速度和力的關系；再保持力一定，研究加速度和質量的關系。
在研究歐姆定律的實驗中，先控制電阻一定，研究電流與電壓的關系；再控制電壓一定，研究電流和電阻的關系。
四、累積法
把某些用常規儀器難以直接準確測量的微小量累積將小量變大量測量，以提高測量的準確度減小誤差。如在缺乏高精密度的測量儀器的情況下測細金屬絲的直徑，常把細金屬絲繞在圓柱體上測若干匝的總長度，然后除以匝數可求細金屬絲的直徑；測一張薄紙的厚度時，常先測量若干頁紙的總厚度，再除以被測頁數而求每頁紙的厚度；在“用單擺測重力加速度”的實驗中，單擺周期的測定就是通過測單擺完成多次全振動的總時間除以全振動的次數，以減少個人反應時間造成的誤差影響。
五、模擬法
有時受客觀條件的限制，不能對某些物理現象進行直接實驗和測量，于是就人為地創造一定的模擬條件，在這樣模擬的條件下進行實驗。模擬法是一種間接實驗的方法，它是通過與原型相似的模型，來說明原型的規律性。模擬法在中學物理實驗中的典型應用是“電場中等勢線的描繪”這一實驗，由于直接描繪靜電場的等勢線很困難，而恒定電流的電場與靜電場相似，所以用恒定電流的電場模擬靜電場中等勢線的分布情況。
六、留跡法
留跡法即是利用某些特殊的手段，把一些瞬間即逝的現象(如位置、軌跡圖象等)記錄下來，以便對其進行仔細的研究。如用打點計時器打出的紙帶上的點跡記錄小車的位移與時間的關系；用頻閃照相機拍攝平拋運動中小球的位置、軌跡；用沙擺顯示振動的圖象；在“測定玻璃的折射率”的實驗中，用大頭針的插孔顯示入射光線和出射光線的方位；在“電場中等勢線的描繪的實驗”中，用探針通過復寫紙在白紙上留下的痕跡記錄等勢點的位置，這些都是留跡法在實驗中的應用。
七、轉換法
將某些不易顯示、不易直接測量的物理量轉化為易于顯示、易于直接測量的物理量的方法稱為轉換法(間接測量法)。轉換法是物理實驗中常用的方法。例如，測力計是把力的大小轉化為彈簧的伸長量；打點計時器是把流逝的時間轉換成振針的周期性振動；電流表是利用電流在磁場中受力，把電流轉換成指針的偏轉角；還有一些物理量不能由儀器直接測量，這時可利用待測量和可直接測量的基本物理量之間的關系，將待測量物理量的測量轉換為基本物理量的測量。
八、外推法
有些物理量可以局部觀察或測量，但作為它的極端狀態是無法直接觀測的，但把這些局部觀察、測量得到的規律通過圖象或思維運用外推到極端情況，即可以達到目的。例如在“測電源電動勢和內電阻”的實驗中，無法直接測量斷路(I=O)時的路端電壓和短路(u=0)時的電流，通過一系列U、I值對應點畫出直線并向兩方延伸，交u軸點為電動勢E，交I軸點為短路電流I短。
九、放大法
在現象、變化、待測物理量十分微小的情況下，往往采用放大法。根據實驗的性質和放大對象的不同，放大所使用的物理方法也各異。如游標卡尺、放大鏡、顯微鏡、示波器等儀器都是按放大原理制成的。許多電表如電流表、電壓表是利用一根較長的指針把通電后線圈的偏轉角顯示出來；又比如在卡文迪許扭秤實驗中，其測定引力常量的思路最后轉移到光點的移動，跟庫侖靜電力扭秤實驗一樣，都是將微小形變放大的具體應用。
靜電場的描繪范文第3篇
1.遵循新課程理念,用好教材,教學流程設計突出過程與方法。
下面是我在處理電動勢這個教學難點的具體做法:
師問:電源的作用是什么?(假定自由電荷為正電荷)
生答:電源是把自由電荷從負極經電源內部搬運到正極。
師問:把自由電荷從負極經電源內部搬運到正極過程中自由電荷受幾個力作用?與電荷運動方向關系?
生答:受兩個力。靜電力的方向與正電荷的運動方向相反,另一個力與運動方向相同。
分析總結:正、負極堆積著正、負電荷,所以電源內部存在著有正極指向負極的靜電場,正電荷在電源內部受到的這個靜電力的方向與正電荷的運動方向相反,靜電力充當阻力。要把電荷從負極搬運到正極就還要受克服靜電場對電荷的作用力。這個力由電源提供叫做非靜電力,方向與靜電力相反。
師問:這兩個力對電荷做功嗎?電荷的能量變嗎?
生答:靜電力做負功,非靜電力做正功。電荷的電勢能增加。
分析總結:從能量轉化的角度看,電源是把其它形式的能轉化為電能的裝置,通過非靜電力做功,讓電勢能增加。即使是把相同的電荷量從負極移到正極,非靜電力在不同的電源中做功也不一樣,就像把相同的重物從一樓搬上二樓,如果樓層的層高不一樣,人力做功就不一樣。非靜電力對電荷做的功與電荷的比值有特殊意義(相當于樓層的層高),定義為電動勢。電動勢是電源的一種特性,其大小與非靜電力的性質有關,與W和q是無關的。
通過這樣的教學過程,學生能建立閉合電路中電荷運動的圖景,在分析討論中感受到比值定義物理量的思想和做功研究能量變化的思想,這些對學好物理,提高解題能力有根本性的幫助。
2.注意學生自主學習能力的培養。
“高中物理新課程標準明確提出,要加強學生自主學習能力的培養,注重發展好奇心與求知欲,培養科學態度和科學精神”。[1]我在本章教學時安排兩次自主學習的內容,一次是電阻定律的推導,另一次就是閉合電路的歐姆定律。下面是我在教第七節“閉合電路的歐姆定律”時安排的一節自學的情況:
我提出了如下幾個思考題:
(1)閉合電路歐姆定律的推導過程?
(2)定律的文字敘述、公式及單位?
(3)公式中各項意義及各部分之間的關系?
(4)閉合電路歐姆定律與部分電路歐姆定律的區別?
我要求學生完成自學筆記。絕大多數學生在30分鐘內完成。我再要求學生做3道淺顯的選擇題,學生一般5分鐘可完成。接下來我組織學生交流討論自習內容和體會。當然,自學從容量、深度等方面和正常一節課教學是有一定的差距,教師在學生自學的基礎上還需安排一定的時間對本節內容進行適當拓展加深,這對學生自學意識、自學方法和能力培養是有意義的。
3.加強學生實驗情況的研究、提高實驗教學效益。
本章的實驗非常重要,是高考重點,仔細分析一下這部分實驗,有些實驗對學生的實驗能力要求比較高,學生在做的過程中感到很難。按慣例,許多學校都是一課時完成一個實驗,結果大部分實驗效果都不好,我們通常都認為完全是學生不認真造成的,其實不完全是這樣。有一次我聽了幾節“電阻定律”實驗探究課,那是全市青年教師課堂教學大賽,即使重點中學的學生,在教師十幾分鐘的講解提示以后,能在二十多分鐘做完實驗、拿出較好數據的也只有兩三組,而且幾節課的情況大致相同,再結合高三學生實驗復習暴露出來的情況,我對本章一些實驗的教學作了一些調整。
比如在做“描繪小燈泡的伏安特性曲線”實驗前,我專門增加了一節有關分壓電源內容的教學,希望學生能對分壓電源電路的結構、特點,以及與以前串聯限流電路的區別有一個清楚的認識。實驗除了正常實驗要求,我還特別強調兩點:(1)每位學生至少親手連一遍電路;(2)電路連結分兩步,先連分壓電源再連測量部分,注意分壓電源正負極。雖然我作了調整,但還有近一半的學生感到有困難。我們以前認為分壓電電源電路不怎么難,其實對初學者來說還是很難,根據學生實驗過程反映和暴露出的問題,主要表現在學生對分壓電源電路工作原理的理解,實驗電路結構復雜程度和受以前串聯限流電路干擾等方面。因此,我們在實驗教學過程中,應認真分析、研究學生的實際學習狀況,及時調整教學進度和教學內容,耐心幫助學生解決實驗中遇到的困難,而不是一味責怪學生。
本章還一個重要的實驗是第九節“實驗測定電池的電動勢和內阻”分組實驗,暴露出最大的問題是圖像法處理數據,為此,我花了一節課專門針對該實驗的數據進行處理。
4.重視“科學?技術?社會”觀念滲透教育,加強對學生情感態度價值觀的培養。
《普通高中物理新課程標準》強調讓學生“了解體會物理學對經濟、社會發展的貢獻。關注并思考與物理學相關的熱點問題,有可持續發展的意識,能在力所能及的范圍內,為社會可持續發展做出貢獻”。[2]本章教材中與社會、生活、科技相關的有電池問題、電阻問題、集成電路問題、照明電問題。我們在教學中應予以重視。
我將班級分成若干小組,對市場上可充電電池進行調查,調查哪些種類電池對環境污染較大,哪些則相對較小?各小組根據自己的調查,寫出了調查報告。經過評比,我選出其中較好的三份報告在全班進行交流。學生的熱情還是比較高的。通過交流,學生對于電池對環境可能造成的污染和對人類可能造成的傷害有了清晰的認識,并且了解了一些關于如何處理廢舊電池的正確方法,不僅知道了科學技術造福人類,而且了解科技的發展帶來的一些社會問題。學生由此明白,我們應站在更高的層面認識“科學?技術?社會”,養成環境保護、可持續發展的意識,身體力行,從每件小事做起。
靜電場的描繪范文第4篇
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靜電場的描繪范文第5篇
1.理想化法：影響物理現象的因素往往復雜多變，實驗中常可采用忽略某些次要因素或假設一些理想條件的辦法，以突出現象的本質因素，便于深入研究，從而取得實際情況下合理的近似結果(通俗他說就是抓大放小)。例如在《用單擺測定重力加速度》的實驗中，假設懸線不可伸長，懸點的摩擦和小球在擺動過程的空氣阻力不計；在電學實驗中把電壓表變成內阻是無窮大的理想電壓表，電流表變成內阻等于0的理想電流表等等實際都采用了理想化法。
2.平衡法：物理學中常常利用一個量的作用與另一個(或幾個)量的作用相同、相當或相反來設計實驗，制作儀器，進行測量。例如測量中的基本工具彈簧秤的設計是利用了力的平衡，天平的設計是根據力矩的平衡；溫度計是利用了熱的平衡。
3.放大法：在現象、變化、待測物理量十分微小的情況下，往往采用放大法。根據實驗的性質和放大對象的不同，放大所使用的物理方法也各異。例如：在《測定金屬電阻率》實驗中所使用的螺旋測微器：主尺上前進(或后退)0.5毫米，對應副尺上有5n個等分，實際上是對長度的機械放大；許多電表如電流表、電壓表是利用一根較長的指針把通電后線圈的偏轉角顯示出來。
4.累積法：將微小量累積后測量求平均的方法，能減小相對誤差。實驗中也經常涉及這一方法。例如，在《用單擺測定重力加速度》實驗中，需要測定單擺周期，用秒表測一次全振動的時間誤差很大，于是采用測量30～50次全振動的時間T，從而求出單擺的周期T=t/n(n為全振動次數)。
5.轉換法：某些物理量不容易直接測量，或某些現象直接顯示有困難，可以采取把所要觀測的變量轉換成其他變量(力、熱、聲、光、電等物理量)的相互轉換進行間接觀察和鋇Ⅱ量，這就是轉換法，還是以卡文迪許《用扭秤裝置測定萬有引力恒量實驗》為例：其基本的思維方法便是等效轉換。卡文迪許扭秤發生扭轉后，引力對T形架的扭轉力矩與石英絲由于彈性形變產主的扭轉力矩這就是等效轉換，間接地達到了無法達到的目的。本實驗中轉換法還應用于石英絲扭轉角度的測量上，這個角度不是直接測出的，而是利用平面鏡反射光在刻度尺上移動的距離間接測出的。
6.控制變量法，在高中物理中的許多實驗，往往存在著多種變化的因素，為了研究它們之間的關系可以先控制一些量不變，依次研究某一個因素的影響。
最典型的例子是《驗證牛頓第二運動定律》的實驗，我們研究的方法是：先保持，物體的質量一定，研究加速度與力的關系：再保持力不變研究加速度與質量的關系，最后綜合得出物體的加速度與它受到的合外力及物體質量之間的關系。當然本實驗還涉及到各種系統誤差的產生，限于篇幅不再贅述。
7.留跡法：有些物理現象瞬間即逝。如運動物體所處的位置，軌跡或圖像等，設法記錄下來，以便從容地測量、比較和研究。例如：在《測定勻變速直線運動的加速度》《驗證牛頓第二運動定律》等實驗中，就是通過紙帶上打出的點記錄下小車(或重物)在不同時刻的位置，(位移)及所對應的時刻，從而可從容計算小車在各個位置或時刻的速度，并求出加速度。
8.模擬法：有時受客觀條件限制，不能對某些物理現象送行直接實驗和測量，于是就人為地創造一定的模擬條件，在這樣模擬的條件下進行實驗。例如在《電場中等勢線的描繪》實驗中，因為對靜電場直接測量很困難，故采用易測量的電流場來模擬。
