实验静电场物理模拟

发布 2022-07-15 16:49:28 阅读 2296

⑵导电质与电介质分布规律相同或相似;

电极的电导率远大于导电质的电导率,以保证电极表面为等势面。

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。

五、实验步骤。

1. 将坐标纸压在盛有薄水层的透明水槽下面,如图一所示;

2. 根据各组的情况,确定供电电极a(正极,电位为u0),b(负极电位为零)的坐标,然后按图一的方式,接好电路。为了接触良好,供电电极a,b也要固定好。电压表的两支表笔(红表笔为m,黑表笔为n)用作探针,用于测量等位线。

3、测量ab之间的电压u0 = 20v。测量以下电位的等值线:8v,10v,12v,14v,16v。

4、黑表笔n极接b极,红表笔m极轻轻在薄水层上滑动,当电压表的读数为8v时, 将红表笔m极固定,并读出水槽下面坐标纸上的坐标, 记录在另一张坐标纸上。

5、再让黑表笔n极轻轻在薄水层上滑动,当电压表的读数为0时,每隔0.5~3cm的间距,读出水槽下面坐标纸上的坐标,并将这些点的位置标在另一张坐标纸上,就可记录下8v的等位线。

6、重复4-5的操作,记录u1,u2,u3,……un = 8v,10v,12v,14v,16v的等位线,直到全部测完。

7、关闭电源,根据坐标纸上的点用点划线勾画等值线图。

8、改变ab之间的电压u0,重复4-7的操作,并观察两种情况下的电位分布是否一样,分析其原因。

注意事项。1.为保证模拟场准确,水层必须薄,否则不能近似为二维问题。

2.为避免接触电阻对探测的影响,必须确保电极与水层接触良好,且应尽量与坐标纸面垂直。

3.等势点间距离不要太大,一般在0.5~2cm左右,对于等位线曲率较大或靠近供电电极处应多测一些等位点。

问题讨论。1. 用电流场模拟静电场的理论依据是什么?

2. 分析影响探测结果的各种因素?

3. 分析a、b极与水层之间的接触电阻的变化对观测结果的影响,如何避免?

4. 如果要描绘12v的等位线,下面哪一种做法正确?并说明原因。

a. 黑表笔n极接b极,红表笔m极在水中轻轻滑动,当电压表的读数为12时用力按一下,在坐标纸上记录该点的位置,并将红表笔m极固定;再让黑表笔n极轻轻在薄水层上滑动,当电压表的读数为0时,每隔0.5~2cm的间距在坐标纸上记录这些点的位置,就可记录下12v的等位线。

b. 黑表笔n极始终接b极,让红表笔m极不断地在水中轻轻滑动,只要电压表的读数为12时,每隔0.5~2cm的间距,在坐标纸上就可记录下12v的等位线。

5. 如果电源电压增加一倍,等位线与电力线的形状是否变化?

6. 与实验一数值模拟的结果进行对比,分析电位等值线图不完全一样的原因。

附录。数据记录格式。

问题讨论回答。

1.用电流场模拟静电场的理论依据是什么?

答:稳恒电流场与静电场是两种不同性质的场,但是他们两者在一定条件下具有相似的空间分布,即两种遵守规律在形式上相似,都可以引入电位u ,电场强度e=- u,都遵守高斯定律。而且他们在各自区域中满足同样的数学规律且恒定电流场与静电场满足相同形式的数学方程。

所以在相同边界条件下,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。

2.分析影响探测结果的各种因素?

答:实验中由于测量过程的随机误差和测量仪器仪表的一些系统误差都有可能影响探测的结果;由于我们是用的水槽来代替的静电纸做模拟静电场的实验,然而随着实验过程的深入水槽中的水被电离,水电离出来的离子会对测量结果造成一定的影响;在实验过程中0v电位点和20v电位点的位置不能精确的保持每一次测量都在相同的位置,在测量的过程中水是否一直能平均地分布于水槽中,在实验时并不能排除外界的电磁干扰等其它因素也会对测量结果产生影响。

3.分析a、b极与水之间的接触电阻的变化对观测结果的影响,如何避免?

答:右图为静电场。

模拟的等效电路图。

故有:知:当r不变,ra与rb变化时,u将发生相应的变化。

4. 答:选择第一种测量方法。因为如果黑表笔在测量过程中有一点变化的话就会引起以后探测的点比起一开始探测的点产生较大的误差,而且这样探测的每一点都存在着误差。

但是如果红表笔不动而移动黑表笔则会减小这一误差且使每次测量的点都是由两点的电位之差来确定的,这样就减小并且有可能消除了单次测量的数据所带来的误差,使测得的结果更加精确提高了绘图的精度。

5.如果电源电压增加一倍,等位线与电力线的形状是否变化?

答:等位线与电力线的形状末发生根本的变化。在电源电压增加一倍后,等位线的分布更加密集,但等位线的形状与电压不变时候的一样也都还是一条一条的弧线,。

6.与实验一数值模拟的结果进行对比,分析电位等值线图不完全一样的原因。

答:由于物理模拟不可能十分的精确,在测量过程中必然存在着系统误差,随机误差,过失性误差等误差。这样会导致物理模拟的等位点必定与理论值存在着一定的误差,然而数值模拟是用matlab软件进行模拟相对物理模拟比较精确;由于在物理模拟中所绘出的图形是先确定几点然后再用直线将所测得的点连接起来得出等位线的图形,而数值模拟是用迭代的方法获得的结果所得的图形更接近真实的电位线分布。

所以两种方法所测得的电位等值线图不完全一样。

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