静电场描绘实验的教学改进研究_许平.pdf
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1、第 卷第 期大学物理实验 年 月 收稿日期:基金项目:湖南省普通高等学校教学改革研究重点项目();西华大学教育教学改革研究项目()。文章编号:()静电场描绘实验的教学改进研究许 平,李 觉,申绪英(西华大学 理学院物理实验中心,四川 成都;湖南涉外经济学院 商学院,湖南 长沙)摘要:为了使学生学好静电场描绘实验课对此实验在讲义和操作中存在的三个问题:实验讲义的阐述思路不清晰、实验器材存在实际问题、实验操作缺少指导方法等,进行了分析与探讨,结合课堂教学和学生各种实际情况,提出了调整实验讲义的阐述思路、实验器材的选择要简洁可靠、教师要善于总结应对方法等改进办法。期望能对仪器厂商、教学同仁、在读学生
2、有所借鉴。关键词:静电场描绘;实验讲义;实验器材;指导方法中图分类号:文献标志码:大学物理实验投稿网址:静电场是静止电荷产生的电场。静电场的分布是设计和制造电极系统的重要依据。在一些科研和生产中,如在高压工程、电子束器件和带电粒子束器件等的设计和制造中,需要了解带电物体周围静电场的分布情况。因此,静电场的描绘是大学物理实验中一个重要的、必做的公共实验。问题的提出纵观许多此实验的讲义,结合网络上一些视频、几年来学生上课的实际情况,发现静电场描绘实验,在讲义上和实际操作中存在如下三个不足,有待改进。()实验讲义的阐述思路不清晰。()实验器材存在实际问题。()实验操作缺少指导方法。针对这些问题,本文
3、将进行分析探讨,提出一些教学改进办法。另外,此实验的电极通常包括平行电极、同轴圆电极、劈尖电极、聚焦电极等。本文以描绘同轴圆电极的静电场分布为例。问题的分析与解决 实验讲义的阐述思路不清晰 问题的分析多数版本的实验讲义存在三个小问题:一是讲义开始都是讲述静电场难以直接测量的内容,没有对实验先做一个整体的描述,阐述实验最根本的目的及最精炼的原理。二是后面的原理没有分步骤阐述,条理性不够。三是没有系统地说明实验设计的逻辑。讲义平铺直述的阐述方式,使学生不能一下子抓住本试验的核心内容,迷失在大段的理论公式推导当中。而此实验面向的对象是刚上大学物理实验课的学生,有的甚至还没有上过电学理论课。他们在课前
4、很难花费大量时间,去琢磨讲义的前因后果。课堂中反复询问他们对讲义的看法,大多数学生均表示难以获得和理解实验的核心内容。问题的解决因此,建议站在一般普通高校大学生这个初学者的立场上,将实验讲义的阐述思路调整一下,先整体后局部,然后将原理分解成 步,每一步都要标上标题,以便学生理清思路。最后 步讲清楚实验设计的逻辑。方便学生找到、理解核心内容。先是整体概述:本实验的最终目的是用稳恒电流场替代静电场,描绘电极在稳恒电流场中的电势分布图,从而得到静电场的场强分布图。本试验的原理需要证明两个规律:一是在一定的条件下,稳恒电流场与静电场有相似的规律,满足模拟法的替代要求;二是稳恒电流场与静电场有相同的电势
5、分布规律,决定了本试验需要测定两个参数:电势、距离。再用 个标题,按如下 步讲清原理。特别要讲清楚实验为什么这样设计的逻辑。()静电场不能直接描绘,存在 个困难。对于静电场来说,直接描绘其电场分布有 个困难:一是静电场中没有电流,电磁式电表不会偏转。二是探针伸入静电场会产生感应电流,引发原静电场显著的畸变。()论证模拟法的 个条件,用稳恒电流场来模拟静电场。在一定条件下,均匀的导电介质中的稳恒电流场与静电场服从相似的规律,前提需要满足 个条件(证明略)。因此可以用稳恒电流场的描绘来模拟静电场的描绘。()论证同轴圆电极两个场中的电势分布规律相同,电势 与距离 有关系。利用高斯定律、欧姆定律,论证
6、静电场、稳恒电流场的电势分布规律相同,电势 与 有线性关系(证明略),引出静电场中某点电势的大小 与其位置 有关系。数学表达式为:。()因此本实验只需要测量稳恒电流场中等势点的电压 与位置 两个参数。()实验设计的逻辑。实验设计的逻辑一般是用倒推思路,但对此实验,两个讲义没有加以说明,一个讲义只简单说明。学生常常在此感到困惑,应该补上。本实验最终要描绘静电场的场强分布,就需要知道静电场中电力线分布,也即需要知道与电力线处处垂直的等位线的分布,也即需要知道构成等位线的各个等势点的 值、值。而等势点 值,可通过电压表测量出来。描述位置的参数 值,即等势点到原点的距离,可以用直尺测量出来。因此,顺过
7、来,本实验只需要用电压表测出稳恒电流场中不同的等势点的电压值,并打下位置标记。将电势相同的点,连结成等位线,再由电力线与等位线处处正交的原理,即可获得实际测量的场强分布图。另外还要特别地指出,直接将同一 值的等势点连接起来成为等位线,这是实际测量出来的等位线,而不是理论上的等位线。从理论上看,同轴圆电极同一 值下只有一个距离 值相对应,而其他电极有多个距离对应。因此同轴圆电极理论上的等位线是一个个同心圆簇,不同于其他电极。同轴圆电极作理论上的等位线图时,要将同一 值的等势点不同的半径 值求得算术平均值后,以此值为半径画圆,这才是同轴圆电极理论上的等位线。这一知识点也是讲义没有讲透彻的地方。实验
8、器材存在的实际问题 问题的分析静电场的描绘实验需要测量的 个参数是某一点的电势 与位置。单独测量都不难,但难的是要同时测量。从电极的电介质材质升级、打点标记装置的升级来看,都是为了解决测量电压值 的同时、将此点的位置 标记下来的这个难题。为了解决这个难题,研究者利用了当时所能利用的材料,设计了多种同时测量的方法,试用过的装置有很多。从测量电压的仪器上看,有指针式电压表、数字式电压表、惠斯登电桥等。见图、。图 指针式电压表图 数字式电压表 第 期许 平,等:静电场描绘实验的教学改进研究图 惠斯登电桥法测电压电路从同轴圆电极的电介质材质来看,有导电纸、自来水、导电微晶、导电膜等。见图、。图 自来水
9、介质图 导电微晶介质图 导电膜介质从打点标记装置来看,有同层等臂装置、双层同步探针、单层带坐标表笔等。见图、。图 同层等臂装置图 双层同步探针图 单层带坐标表笔还有许多的研究者在器材的限制下,设想了很多的操作方法来弥补器材构造复杂、外界影响因素多、对操作技能要求高、数据测量不稳定、精大 学 物 理 实 验 年确度不高等问题。但这些努力还不能根本性解决这些问题、。问题的解决在电压表的选取上,通常用高内阻的数字电压表代替低内阻的指针式电压表,解决指针式电压表读数误差、指针不稳定等缺点。惠斯登电桥法的实验误差最小,但测量时需要同时观察检流计及电压表,操作不简洁方便。数字式的电压表比较方便直观,误差足
10、够小,可以满足要求。在电极介质的选取上,先后经历了导电纸、自来水、导电微晶等。它们都有不同特点的问题,:导电纸易皱褶磨损,是易耗品,其涂层不均匀,影响精确度。自来水易弄湿台面,使用不方便,通电久了电极有气泡、腐蚀,测量误差较大。导电微晶涂层有易氧化、分布不均匀的问题,指针在上面移动有划痕,影响精确度。其实这几种导电介质最大的共同问题是不方便集成坐标,在测电压的同时准确标记点的位置。导致研究人员发明了等臂装置、同步探针等复杂的打点装置,进一步放大了误差。导电膜介质以它透明、耐磨、电阻均匀度好、使用方便等特点,克服了其他介质的许多不足,受到了厂商和师生的欢迎。导电膜是采用磁控溅射的方法,在 基膜或
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