李汉军，郑晓慧，袁晓梅

(空军勤务学院)

0 引言

静电场是电磁学内容的核心，当带电体的形状、电量确定后，其电场分布也就确定了.人们引入电场线和等势面形象描绘电场，而电场线和等势面处处垂直，所以只要绘制出等势面，即可了解电场分布，但在静电场中没有电流，无法用电表直接测量，因而实验时常采用一种方法——模拟法，即仿造一个电场(模拟场)与原电场完全一样，通过探针对模拟场间接测量，从而做出静电场的等势线［1-4］.

模拟法测量静电场是高等学校物理实验课程的必做实验之一，目前静电场描绘仪是应用双层静电场测试仪进行模拟，方法是在一个透明的有机玻璃水槽中固定电极，然后在水槽中装上适量的水，放到实验架的下层进行实验.

1 现有的静电场描绘仪存在的主要不足

1.1 调节水平方面

现有静电场描绘仪没有水平调节装置，当仪器水平度出现偏差后会导致水面与电极平面不平行，造成导电介质在水槽内分布不均匀，影响电压测量数据.

1.2 电压测量方面

现有双层静电场描绘仪实验仪器使用的是TH2172型交流毫伏表，是模拟法测量静电场的传统仪器.在使用中发现用这种仪器观测等电位点时仪表读数不稳定，观测难度大，使用不方便［5］.

1.3 探针移动方面

目前很多高校实验课所用的静电场描绘仪都采用等臂记录法，大都使用双层结构的描绘仪来描绘模拟静电场.现有仪器连结上下两探针的固定手柄座质量较大，与实验台的摩擦力很大，在移动描点时很难控制它的移动位置，尤其是从静止到运动的瞬间和当电压表示数很接近参考待测位置电压而需要微小调节时，很难控制准确，因而导致误差较大，影响实验效果，增加了实验的难度.

1.4 模拟电场水槽方面

现有仪器提供的模拟电场电极都固定在水槽底部，若要测量不同电场，就需要更换不同的水槽，这样就造成在实验中不断的拆解电路和更换水槽，操作过程繁琐，而且由于模拟电场水槽有限，测量范围较窄.

为了克服现有静电场描绘仪的缺点，对现有实验装置进行改进很有必要.

2 对模拟法静电场描绘仪实验装置的几点改进

改进后的实验装置如图1所示.

图1 改进后实验装置实物图

2.1 对仪器水平调节的改进

在装置底部增设水平调节螺丝，利用水准泡将仪器调节水平，从而避免导电介质在水槽内分布不均匀导致的电压测量数据不准.

2.2 对电压表的改进

数字电压表的内阻比指针式电压表的内阻大得多，在实验中用数字电压表代替指针式电压表，解决指针式电压表读数误差，指针不稳定等缺点.

2.3 对记录方式的改进

该装置改用直接的测量方法:将单探针臂上安装在一个正交标尺交叉点上，移动探针的时候，利用标尺可直接测出探针在电场中的绝对坐标值.这样不仅克服了双探针可能引起的误差，又将描绘点坐标直接测量出来，方便快捷，误差较小.

2.4 对电极的改进

将原有的同轴柱面固定电极和长平行圆柱固定电极拆解下来，变为可移动电极，另外增设多个电极，如平行板电极，锐角极板与平行板电极等等.这样只需要一个水槽就可以实现多个模拟场的测量，既节省了成本，又扩大了测量范围.

图2 实验线路图

3 实验方法

以模拟同轴柱面间的静电场分布为例:

(1)通过调节水平调节螺丝，观察水准泡，将仪器调节水平.

(2)将同轴柱面电极放入多功能水槽相应位置中，并注入适量的水.

(3)按照实验线路图(如图2所示)，将交流稳压电源、数字电压表以及电极连接好.

(4)打开交流稳压电源和数字电压表开关，移动探针，观察电压表读数，当到达所测电位值时，利用正交标尺读取坐标值，将数据记录下来，并在纸上描点作图(如图3所示).测出2 V、3 V、5 V和7 V的等势线.

图3 同轴柱面间的静电场描绘图

4 改进前后仪器实验数据对比分析

表1 新仪器测量同轴柱面间的静电场中各点坐标值

表2 新仪器测量数据处理 r1=5.07 mm，r2=49.99 mm，V1=15 V

表3 原仪器测量数据 r1=5.02 mm，r2=50.01 mm，V1=13 V

从表1、表2、表3新旧仪器测量数据对比可以看出，新型静电场描绘仪测量误差较小［6-7］.

5 结论

改进后的静电场描绘仪基本克服了传统的静电场描绘仪的缺陷，增加水平调节可有效避免导电介质在水槽内分布不均匀导致的测量误差;数字电压表的采用使得测量精度提高;利用单层正交标尺移动探针结构方便灵活，描点记录准确可靠;可移动电极的设计扩展了测量空间.改进后的静电场描绘仪能更有效地模拟静电场的分布.

［1］ 沈元华，陆申龙.基础物理实验［M］.上海:高等教育出版社，2003:154-158.

［2］ 张国恒，魏秀芳.大学物理实验［M］.北京:科学出版社，2010:54-58.

［3］ 肖苏.实验物理实验［M］.合肥:中国科学技术大学出版社，1998.

［4］ 吴凤英.大学物理实验［M］.长沙:湖南大学出版社，2000.

［5］ 杨瑞.对静电场中的场强与能量的求法的分析［J］.哈尔滨师范大学自然科学学报，2011，27():26-28.

［6］ 桂维玲.法布里-珀罗标准具实验三种数据处理方法的讨论［J］.物理实验，1998(6):51-53.

［7］ 贾福荣.静电场描绘实验仪的主要误差分析［J］.内蒙古科技与经济，2002，12(4):59.