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[摘要]实验采用等效代替的方法，用恒定电流的电场来模拟静电场，实验的关键就是如何设计思维梯度，帮助学生建立起等效代替的思想。应该突出等效代替的物理思想和培养学生的主动参与意识，把实验的主动权交给学生，让学生课后思考与针对性训练，同时在实验操作过程中，注意实验方法、操作技巧等能力的培养。
[关键词]静电场实验 等效代替思想 教学研究
1.评析
本实验是用恒定电流的电场来模拟真空中的静电荷电场、用灵敏电流计的电流指示为零来寻找等势点的方法，描绘出恒定电流电场中平面上的等势线，借以研究静电场的情况。因此本节课的教学重点就寻找等势点。由于场的抽象性，“电流场”为什么可以代替“静电场”便构成教学难点。所以本实验的关键就是如何设计思维梯度，帮助学生建立起等效代替的思想。同时在实验操作过程中，注意实验方法、操作技巧等能力的培养。
1.1实验方法与注意事项。本实验的目的是要研究异种点电荷周围的等势线，但直接描绘静电场的等势线比较困难，由于静电荷周围的电场和恒定电流的电场相似，故本实验采用等效代替的方法，用恒定电流的电场来模拟静电场。所谓等效代替就是用能帮助我们分析、解决问题的方法替代解决无法直接办到的事情。如：“曹冲称象”和“阿基米德”测定皇冠纯度的故事，就是非常典型的等效代替实例。那么在今天的实验中是如何利用等效代替的呢?
我们只有把两个异种点电荷放在平面上，然后才可以对这两个电荷周围的静电场进行研究。实验操作中怎样把这两个电荷放到平面上供我们研究呢?像教材中(图实-11甲)那样，接通电源后，在A电极上有正电荷，B电极上有负电荷，而这两个电荷是流动的，并非总在A、B电极上。由于电路中电流是恒定的，在A电极上流走一个电荷的同时又会补充过来一个同样的电荷。同理，B电极上的电荷亦如此。这就相当于在A电极和B电极上总有一个“静止”的电荷(电极上并不只有一个电荷，这样描述只是为了突出等效性，降低理解上的难度)。于是我们可以采用这个方法，将两个异种电荷“摆放”在平面上供我们研究了。从严格意义上说，这个实验并非静电实验，但它却为我们开辟了一条研究物理问题的有效途径。
1.2实验步骤：①在塑料板上按顺序铺上记录纸、复写纸、导电纸各一张，并用螺钉固定；②在导电纸上固定电极，按教材图实-11甲接好电路；③在两电极间画一条直线作为基准线，将基准线大致分为六等份，得到五个基准点；④闭合电键后，将一个探针固定压在基准点上，另一个探针在基准线的两侧移动，观察电流计的指针示数。当移动到某点电流计指针示数为零时，此点即为基准点的等势点，稍用力下压该探针，将这个点的位置复印到记录纸上。如此在基准线的两侧各找4-8个等势点(相邻等势点间距尽量相等，约1cm)；⑤换压另一基准点，重复上述操作；(6)取出记录纸，将各个基准点的等势点连成平滑的曲线，此线即为等势线(见教材图实)。
1.3注意事项：①从下至上依次放置记录纸、复写纸、导电纸，导电纸有导电物质的一面朝上；②使用学生电源时的接线柱应选择稳压输出接线柱；③等势点选取，间隔应均匀；④移动探针过程中不能认为指针不动探针所触两点即为等势点；⑤不能将探针与电极接触，使另一探针接触导电纸；⑥电极与导电纸接触不良；⑦灵敏电流计指针满偏且出现碰壁现象；⑧导电纸与记录纸应固定牢，避免在操作过程中出现错位现象。
2.说明
2.1电场中等势线可以画无数条，但用五条等势线即可以描述出电场的全部情况。
2.2如果电流从哪个探针流入电流计，指针就朝哪个方向偏转，当右电极接触电源正极、左侧探针固定时，指针向左侧偏，应向右侧移动探针；指针向右侧偏，应向左侧移动探针。
2.3电极的形状，决定了它周围电场性质，也就决定了等势线的形状。
2.4本实验操作简单，成功率高，学生对等势点的寻找和等势线的画法容易掌握，所以还应该突出等效代替的物理思想和培养学生的主动参与意识，因而要把实验的主动权交给学生。
2.5本学生实验，应突出其实验原理、方法，让学生在实验过程中边操作，边注意总结规律性东西。
2.6关于基准点的选取，可用万用表的电压档，将具有一定电势差的各点定为基准点，建议如果学生实验操作能力较强能够理解和接受的话，不妨试一试。
3.实验误差分析
3.1电流表的精度是产生误差的因素之一。
3.2导电纸是否符合要求也是产生误差的因素。(导电纸的电阻率应远大于金属电极的电阻率，且导电涂层要均匀)对于导电纸，可以自己在实验室用盐水制作，但值得注意的是配制的盐水的浓度要恰当，大了，有晶体析出，小了，又达不到实验的要求。
3.3电极与导电纸是否接触良好。
3.4圆柱形电极的大小也会给实验带来误差(一般选直径为1cm的磨平铜柱作电极)。
4.典型题例
例1、①在实验中，按下电键接通电路，若一个探针与基准点0接触，另一探针已分别在基准点0的两侧找出实验所需的两点a、b(如图30-3所示)，则当此探针与a点接触时，灵敏电流计的指针应(填“左偏”、“指零”或“右偏”)；当此探针与b点接触时，灵敏电流计的指针应(填“左偏”、“指零”或“右偏”)，判断的依据是。
解析：所谓实验中所需要的点，就是与所选择的基准点是等势点。因此，当此探针与a点接触时，灵敏电流计的指针应：指零；当此探针与b点接触时，灵敏电流计的指针也应指零。判断的依据是：当两点电势相等时，在这两点之间就没有电势差，在所构成的闭合回路中就没有电流产生。
点评：本题的考查目的有二，(1)是为了让学生更加深刻地理解电势及等势点的含义；(2)是让学生明白我们实验的目的是什么?(找等势点等)在其依据的考查上，针对性比较强，就是让学生知道：没有电源(没有电势差)就没有电流的形成。
例2、如图30-4为描绘电场中等势线的装置，图中地A、N、C、D、B间距相等，其中A、B为金属圆柱电极，当电流从正接线柱流入灵敏电流计时，其指针向正接线柱一侧偏转。
(1)当灵敏电流计指针——时，说明探针所接触的两点是等势点。
(2)当探针I接在D点，探针Ⅱ接在某点时，灵敏电流计指针偏向负接线柱一侧，说明探针Ⅱ在D点的侧(填“左”或“右”)，为了寻得等势点，探针Ⅱ应向(填“左移”或“右移”)，才能寻得等势点。(右边的是探针工，左边的是探针Ⅱ)
解析：既然是接触的等势点，没有电势差，在回路中就不会形成电流，故灵敏电流计指针指零；当探针I接在D点，探针Ⅱ接在某点时，灵敏电流计指针偏向负接线柱一侧，说明电流是从探针Ⅱ流入的，则探针Ⅱ所在位置电势高故探针Ⅱ在D点的右侧，当然探针Ⅱ应向左移，才能寻得等势点。
点评：本题从实验的原理出发，去寻找实验所需要的等势点，当既然是实验，是去试探，就不可能每次都一探就中，因此，就出现了题中所描述的那样，指针会左偏或右偏，其根本原因是电势不等。但学生对电势的概念是模糊的，其太抽象。故他们在学习及处理电势高低和电势差的问题时，往往是束手无策。故，我认为我们可以假设在两探针的接触点之间存在一个电源(“假电源”法判断电流表指针的偏转情况)，在电源外部电流是从电源的正极流向负极，这样学生就很容易从指针偏转情况去推断电流的流向，再从电流的流向来判断：“假电源”的正负极，从而确定电势的高低(在外电路电流总是从高电势流向低电势)以及探针的移动方向。
课后思考与针对性训练。
(1)如果电极与“交流”接通或与不稳压的“直流”接通，请同学们思考一下，电极的电场是否稳定呢?(明确电场不稳，无法描绘出稳定的等势线)
(2)灵敏电流计指针不为零说明什么?其指针的偏向与电流的流向有什么关系?
(3)如何防止指针碰壁现象?(采用点触方式)
(4)如果改变电极的形状，如用棒形、环形电极代替圆柱形电极，它周围的电场又是什么性质?等势线又是什么形状?请你模仿实验的原理设计两个实验，来描绘带电平行板间的电场和带电同轴柱面间的电场的等势线。
[关键词]静电场实验 等效代替思想 教学研究
1.评析
本实验是用恒定电流的电场来模拟真空中的静电荷电场、用灵敏电流计的电流指示为零来寻找等势点的方法，描绘出恒定电流电场中平面上的等势线，借以研究静电场的情况。因此本节课的教学重点就寻找等势点。由于场的抽象性，“电流场”为什么可以代替“静电场”便构成教学难点。所以本实验的关键就是如何设计思维梯度，帮助学生建立起等效代替的思想。同时在实验操作过程中，注意实验方法、操作技巧等能力的培养。
1.1实验方法与注意事项。本实验的目的是要研究异种点电荷周围的等势线，但直接描绘静电场的等势线比较困难，由于静电荷周围的电场和恒定电流的电场相似，故本实验采用等效代替的方法，用恒定电流的电场来模拟静电场。所谓等效代替就是用能帮助我们分析、解决问题的方法替代解决无法直接办到的事情。如：“曹冲称象”和“阿基米德”测定皇冠纯度的故事，就是非常典型的等效代替实例。那么在今天的实验中是如何利用等效代替的呢?
我们只有把两个异种点电荷放在平面上，然后才可以对这两个电荷周围的静电场进行研究。实验操作中怎样把这两个电荷放到平面上供我们研究呢?像教材中(图实-11甲)那样，接通电源后，在A电极上有正电荷，B电极上有负电荷，而这两个电荷是流动的，并非总在A、B电极上。由于电路中电流是恒定的，在A电极上流走一个电荷的同时又会补充过来一个同样的电荷。同理，B电极上的电荷亦如此。这就相当于在A电极和B电极上总有一个“静止”的电荷(电极上并不只有一个电荷，这样描述只是为了突出等效性，降低理解上的难度)。于是我们可以采用这个方法，将两个异种电荷“摆放”在平面上供我们研究了。从严格意义上说，这个实验并非静电实验，但它却为我们开辟了一条研究物理问题的有效途径。
1.2实验步骤：①在塑料板上按顺序铺上记录纸、复写纸、导电纸各一张，并用螺钉固定；②在导电纸上固定电极，按教材图实-11甲接好电路；③在两电极间画一条直线作为基准线，将基准线大致分为六等份，得到五个基准点；④闭合电键后，将一个探针固定压在基准点上，另一个探针在基准线的两侧移动，观察电流计的指针示数。当移动到某点电流计指针示数为零时，此点即为基准点的等势点，稍用力下压该探针，将这个点的位置复印到记录纸上。如此在基准线的两侧各找4-8个等势点(相邻等势点间距尽量相等，约1cm)；⑤换压另一基准点，重复上述操作；(6)取出记录纸，将各个基准点的等势点连成平滑的曲线，此线即为等势线(见教材图实)。
1.3注意事项：①从下至上依次放置记录纸、复写纸、导电纸，导电纸有导电物质的一面朝上；②使用学生电源时的接线柱应选择稳压输出接线柱；③等势点选取，间隔应均匀；④移动探针过程中不能认为指针不动探针所触两点即为等势点；⑤不能将探针与电极接触，使另一探针接触导电纸；⑥电极与导电纸接触不良；⑦灵敏电流计指针满偏且出现碰壁现象；⑧导电纸与记录纸应固定牢，避免在操作过程中出现错位现象。
2.说明
2.1电场中等势线可以画无数条，但用五条等势线即可以描述出电场的全部情况。
2.2如果电流从哪个探针流入电流计，指针就朝哪个方向偏转，当右电极接触电源正极、左侧探针固定时，指针向左侧偏，应向右侧移动探针；指针向右侧偏，应向左侧移动探针。
2.3电极的形状，决定了它周围电场性质，也就决定了等势线的形状。
2.4本实验操作简单，成功率高，学生对等势点的寻找和等势线的画法容易掌握，所以还应该突出等效代替的物理思想和培养学生的主动参与意识，因而要把实验的主动权交给学生。
2.5本学生实验，应突出其实验原理、方法，让学生在实验过程中边操作，边注意总结规律性东西。
2.6关于基准点的选取，可用万用表的电压档，将具有一定电势差的各点定为基准点，建议如果学生实验操作能力较强能够理解和接受的话，不妨试一试。
3.实验误差分析
3.1电流表的精度是产生误差的因素之一。
3.2导电纸是否符合要求也是产生误差的因素。(导电纸的电阻率应远大于金属电极的电阻率，且导电涂层要均匀)对于导电纸，可以自己在实验室用盐水制作，但值得注意的是配制的盐水的浓度要恰当，大了，有晶体析出，小了，又达不到实验的要求。
3.3电极与导电纸是否接触良好。
3.4圆柱形电极的大小也会给实验带来误差(一般选直径为1cm的磨平铜柱作电极)。
4.典型题例
例1、①在实验中，按下电键接通电路，若一个探针与基准点0接触，另一探针已分别在基准点0的两侧找出实验所需的两点a、b(如图30-3所示)，则当此探针与a点接触时，灵敏电流计的指针应(填“左偏”、“指零”或“右偏”)；当此探针与b点接触时，灵敏电流计的指针应(填“左偏”、“指零”或“右偏”)，判断的依据是。
解析：所谓实验中所需要的点，就是与所选择的基准点是等势点。因此，当此探针与a点接触时，灵敏电流计的指针应：指零；当此探针与b点接触时，灵敏电流计的指针也应指零。判断的依据是：当两点电势相等时，在这两点之间就没有电势差，在所构成的闭合回路中就没有电流产生。
点评：本题的考查目的有二，(1)是为了让学生更加深刻地理解电势及等势点的含义；(2)是让学生明白我们实验的目的是什么?(找等势点等)在其依据的考查上，针对性比较强，就是让学生知道：没有电源(没有电势差)就没有电流的形成。
例2、如图30-4为描绘电场中等势线的装置，图中地A、N、C、D、B间距相等，其中A、B为金属圆柱电极，当电流从正接线柱流入灵敏电流计时，其指针向正接线柱一侧偏转。
(1)当灵敏电流计指针——时，说明探针所接触的两点是等势点。
(2)当探针I接在D点，探针Ⅱ接在某点时，灵敏电流计指针偏向负接线柱一侧，说明探针Ⅱ在D点的侧(填“左”或“右”)，为了寻得等势点，探针Ⅱ应向(填“左移”或“右移”)，才能寻得等势点。(右边的是探针工，左边的是探针Ⅱ)
解析：既然是接触的等势点，没有电势差，在回路中就不会形成电流，故灵敏电流计指针指零；当探针I接在D点，探针Ⅱ接在某点时，灵敏电流计指针偏向负接线柱一侧，说明电流是从探针Ⅱ流入的，则探针Ⅱ所在位置电势高故探针Ⅱ在D点的右侧，当然探针Ⅱ应向左移，才能寻得等势点。
点评：本题从实验的原理出发，去寻找实验所需要的等势点，当既然是实验，是去试探，就不可能每次都一探就中，因此，就出现了题中所描述的那样，指针会左偏或右偏，其根本原因是电势不等。但学生对电势的概念是模糊的，其太抽象。故他们在学习及处理电势高低和电势差的问题时，往往是束手无策。故，我认为我们可以假设在两探针的接触点之间存在一个电源(“假电源”法判断电流表指针的偏转情况)，在电源外部电流是从电源的正极流向负极，这样学生就很容易从指针偏转情况去推断电流的流向，再从电流的流向来判断：“假电源”的正负极，从而确定电势的高低(在外电路电流总是从高电势流向低电势)以及探针的移动方向。
课后思考与针对性训练。
(1)如果电极与“交流”接通或与不稳压的“直流”接通，请同学们思考一下，电极的电场是否稳定呢?(明确电场不稳，无法描绘出稳定的等势线)
(2)灵敏电流计指针不为零说明什么?其指针的偏向与电流的流向有什么关系?
(3)如何防止指针碰壁现象?(采用点触方式)
(4)如果改变电极的形状，如用棒形、环形电极代替圆柱形电极，它周围的电场又是什么性质?等势线又是什么形状?请你模仿实验的原理设计两个实验，来描绘带电平行板间的电场和带电同轴柱面间的电场的等势线。