物理探索与演示实验(电磁学)1.ppt

物理探索与演示实验 电磁学部分绪 论电磁学是经典物理学的一部分它主 要是研究电荷、电流产生电场、磁场的规 律，电场和磁场的相互联系，电磁场对电 荷、电流的作用，以及电磁场对物质的各 种效应电磁现象是自然界存在的一种极 为普遍的现象，它涉及到很广泛的领域； 电的研究和应用在认识客观世界和改造客 观世界中展现了巨大的活力电磁理论建立过程中的几个关键阶段：1、对自然界中电磁现象的观察和认识（定性研究 ）； 2、库仑实验定律（电荷相互作用的定量研究） ； 3、科学家伏打等人发现电流并制成伏打电堆 （ 从 静电的研究进入到研究动电的新阶段）；4、奥斯特实验和法拉第电磁感应定律（揭示了电和磁的相互联系）; 5、麦克斯韦电磁理论和电磁波（电磁理论的统 一）实验一 静电感应盘 【实验目的】演示起电盘被带电体感应而起电的现象实验器材】起电盘—是带有绝缘柄的铝质空心圆盘， 塑料板，绸子，氖泡，如图所示实验原理】 感应起电原理如图所示【实验操作与现象】 1．用绸子摩擦塑料板的上表面，塑料板便带上正电，然后将起电盘放在 塑料板上，如图1所示虽然起电盘与塑料板相接触，但两个面不会是 完全密合的，仅少数点相接触，因此电荷的转移不是主要的，主要的仍 是感应起电。

由于起电盘与塑料板靠得很近，感应现象显著2．手持氖泡接触起电盘，氖泡的一端产生一次闪光这是由于起电盘上感 应的正电荷所产生的电位较高，足以使着火电压70伏左右的氖泡点燃放 电放电后，起电盘上正电荷消失3．移去氖泡，将起电盘提起，再用氖泡接触起电盘，则在氖泡的另一端产 生一次闪光这是由于提起起电盘，盘上的负电荷所产生的负电位使氖 泡点燃放电放电后，负电荷消失4．由于实验过程中塑料板上电荷的转移是极有限的，因此塑料板只需摩擦 一次，不断地放下和提起起电盘，并不停地用氖泡接触起电盘，可以观 察到氖泡两头交替地闪光实验二 感应起电机【实验目的】演示起电现象 【实验器材】维氏起电机，包括由起电盘、放电球、莱顿瓶、感应 电刷、皮带轮、集电梳、连接片，起电圆盘涂有许多片 铝箔，如图所示 【实验原理】起电机是利用感应作用来起电的，在通常情况下，由于大气中带电粒子的 碰撞，或者以前实验残留下来的电荷，是能够自己带电的，当两个起电盘快速旋 转时，带电系统特别是装有绝缘手柄的放电叉的球部，分别积聚起不同电性的电 荷随着起电过程不断交替进行，感应起电的作用越来越强，两个导电系统积聚 的不同符号的电荷越来越多，它们之间的电势差也越来越大。

【实验操作与现象】把起电机放电球调整到合适的位置，摇动圆盘把手，当两个起电盘快速旋 转时，放电叉的球部分别聚集起不同电性的大量电荷，而形成火花放电注意观 察放电现象 【注意事项】 1、操作起电机时，动作要缓和，由慢到快，但速度不能太快，过快了会影响中 和电刷与导电层接触，反而不能起电，也容易损坏起电盘摇转停止时亦需慢慢 进行，可松开手柄靠摩擦作用使其自然减慢，以防起电盘由于惯性从转动轴上松 脱 2、起电机带电后和停止摇动时，由于集电杆等处带有电荷，操作者不要触摸实 验设备，应将两个放电球接触，进行正负电荷中和， 3、两放电球接触后不能再转动摇把手，避免两个起电盘上所有导电层正负电荷 完全中和，不能再起电实验三 静电跳球 【实验目的】演示同号电荷相斥，异号电荷相吸的现象 【实验器材】装有金属小球的圆形容器，感应起电机，如图所示 【实验原理】当装有金属小球的圆形容器上下两极金属板分别带有正、负电荷时，此时金属 小球也带有与下板同号的电荷根据同号电荷相斥、异号电荷相吸的原理，金属小 球受下极板的排斥和上极板的吸引，跃向上极板一旦金属小球与上极板接触后， 金属小球所带的电荷被中和反而带上了与上极板相同的电荷，于是又被排斥返回下 极板。

如此周而复始，可观察到金属小球在密闭的容器内上下跳动当两极板电荷 被完全中和时，金属小球随之停止跳动 【实验操作与现象】把电源正、负极分别接在密闭容器的上极板和下极板处，接通高压电源，即可看 到金属小球在容器内上下跳动，关闭电源金属小球停止跳动实验四 静电摆球 【实验目的】用感应球来演示静电感应现象 【实验器材】静电摆球演示仪，感应起电机，如图所示金属球极板【实验原理】当两极板分别带上正、负电荷时，这时导体小球两边分别被感应出与邻 近极板异号的电荷球上感应电荷又反过来使极板上电荷分布改变，从而使 两极板间电场分布发生变化球与极板相距较近的这一侧空间场强较强，因 而球受力较大，而另一侧与极板距离较远，空间场强较弱，受力较小，这样 球就摆向距球近的一极板当球与这极板相接触时，与上面同样的道理使球 又摆回来持续加电，球就在两极板间往复摆动，并发出乒乓声关闭电源 后，则导体小球会因惯性，在一段时间内做微小摆动，最后停止在平衡位置 将金属球调节在两极板中间，因小球两边电场力几乎相等，故球不动实验操作与现象】 1．将两极板分别与感应起电机正负极相接调节细有机玻璃棒，使球略偏向 一极板。

2．开启高压电源，可以看到金属球在两板之间来回摆动 3．演示完成后，关闭电源并进行人工放电 【注意事项】1．操作过程中，不要触摸实验设备，以免触电实验五 尖端放电【实验目的】演示蜡烛的火焰在“电风”的吹动下的偏移，富兰 克林轮在“电风”的推动下的的转动，观察尖端放电 现象 【实验仪器】直流高压电源、尖端放电装置【【实验原理实验原理】】在静电学中我们知道，导体表面的电荷分布与导在静电学中我们知道，导体表面的电荷分布与导 体的表面曲率有关，表面曲率半径越大，电荷分体的表面曲率有关，表面曲率半径越大，电荷分 布越少；反之越多而表面附近的电场与表面电布越少；反之越多而表面附近的电场与表面电 荷成正比，所以，表面曲率半径越小，表面附近荷成正比，所以，表面曲率半径越小，表面附近 电场越强当电场到达一定量值时，附近空气中电场越强当电场到达一定量值时，附近空气中 残留的离子在这个电场作用下，将发生激烈的运残留的离子在这个电场作用下，将发生激烈的运 动，并与空气的分子碰撞而产生大量离子那些动，并与空气的分子碰撞而产生大量离子那些 和导体上电荷异号的离子，因受导体电荷吸引而和导体上电荷异号的离子，因受导体电荷吸引而 移向尖端，与导体上电荷相中和；而与导体上电移向尖端，与导体上电荷相中和；而与导体上电 荷同号的离子，则因受导体电荷排斥而飞向远方荷同号的离子，则因受导体电荷排斥而飞向远方 形成形成“ “电风电风” ”。

【实验操作与现象】 把高压电源任一极接在柱的金属部分上，接通高压电源， 则放电轮的尖端发生放电，使空气电离，电离分子离开尖 端，使轮子受到反冲，因而轮子沿着弯曲的针尖的反方向 转动起来演示后，关闭电源 【注意事项】 由于电源电压较高，关闭电源后，不能完全充分放电，故 应取下电源任一极接头，与另一极接头相碰触人工进行放 电，以确保仪器设备和操作者的安全 实验六 避雷针工作原理【实验目的】演示尖端放电现象，理解避雷针的工作原 理 【实验器材】避雷针演示仪，直流高压电源，如图所示实验原理】当避雷针演示仪接通静电高压电源后，绝缘 支架上的两个金属板带电了在极板间电压超过1 万伏时，由于导体尖端处电荷密度大于金属球处 ，所以金属尖端附近形成了强电场，在强电场的 作用下，空气分子被电离，致使极板和金属尖端 之间处于连续的电晕放电状态，即尖端放电现象 而金属球与极板间的电场不能达到火花放电的 数值，故金属球不放电在实际应用中，尖端导 体与大地相连接，云层中的电荷通过导体与大地 中和，因而避免了人身和物体遭到雷电等静电的 伤害如高层建筑物顶端都安有高于屋顶物体的 金属避雷针实验操作与现象】 1．将静电高压电源正、负极分别接在避雷针演示仪 的上下金属板上，把带支架的金属球放在金属板两 极之间。

接通电压，金属球与上极板间形成火花放 电，可听到劈啪声音，并看到火花若看不到火花 ，可将电源电压逐渐加大演示完毕后，关闭电源 2．用带绝缘柄的电工钳将带支架的顶端呈圆锥状（ 尖端）的金属物体也放在金属板两极之间，此时金 属球和尖端的高度一致接通静电高压电源，金属 球火花放电现象停止了，但可听到丝丝的电晕放电 声，看到尖端与上极板之间形成连续的一条放电火 花细线若看不到放电火花细线，将电源电压提高 演示完毕后，关闭电源实验七 电介质极化 【实验目的】模拟电偶极子在电场中定向排列，说明电介质极化的微观机理 【实验器材】电介质极化演示仪，感应起电机，如图所示，【【实验原理实验原理】】 电偶极子－电偶极子－两个大小相等符号相反的点电荷两个大小相等符号相反的点电荷+q+q和和-q-q，当它们之间的距离，当它们之间的距离r r 比所考虑的场点到二者的距离小得多时，这一电荷系统就称为电偶极子比所考虑的场点到二者的距离小得多时，这一电荷系统就称为电偶极子 电偶极子在电场中受力矩作用，使电偶极子转到平行于电场的方向电偶极子在电场中受力矩作用，使电偶极子转到平行于电场的方向。

电介质内的有极分子在没有外加电场的情况下，由于热运动其分子电矩杂乱电介质内的有极分子在没有外加电场的情况下，由于热运动其分子电矩杂乱 无章地取向从宏观上看没有偶极矩当外加一电场后，在电场的作用下，无章地取向从宏观上看没有偶极矩当外加一电场后，在电场的作用下， 每个偶极矩都趋向于与外场一致，宏观上表现出极化现象每个偶极矩都趋向于与外场一致，宏观上表现出极化现象实验操作与现象实验操作与现象】】将静电高压电源正、负极接在电介质极化演示仪的两极板上，此时电介将静电高压电源正、负极接在电介质极化演示仪的两极板上，此时电介 质极化演示仪内模拟电偶极子的石蜡细棒排列方向是混乱状态（沿任意方向质极化演示仪内模拟电偶极子的石蜡细棒排列方向是混乱状态（沿任意方向 ）当接通电压，模拟偶极子极化使两端带上等量异号电荷，从而形成偶极）当接通电压，模拟偶极子极化使两端带上等量异号电荷，从而形成偶极 子，并立即由混乱状况变为有向排列关闭电压，则偶极子又处于混乱状态子，并立即由混乱状况变为有向排列关闭电压，则偶极子又处于混乱状态 【【注意事项注意事项】】关闭电源后，把两极相碰触进行放电，确保仪器设备和操作者的安全。

关闭电源后，把两极相碰触进行放电，确保仪器设备和操作者的安全实验八 电介质对电容的影响 【实验目的】利用圆形的平行板电容器与一圆形电介质，演 示电介质对电容的影响 【实验器材】【实验原理】当一个平行板电容器中间介质为空气时，则电容量为C，如果在两 极板之间插入一介电常数为ε的电介质，则电容量将增大ε倍，这是因为电 介质插入电场中，由于电介质的极化，而产生束缚电荷，削弱了原来的电 场强度，在电容器极板上电量不变的情形下，两极板间场强的削弱，都会 导致电位差的下降，由公式C=Q/U可知，U的减小，Q保持不变，则引起 了C的增大 【实验操作与现象】将电容器的两极板接在验电器上，然后用起电机将两极板带电，这 时将看到验电器指针有一定偏转角，验电器指针偏转角的大小反映了电容 器两极板间电位差的大小带上电后，拿掉充电的起电机，把用环氧树脂 板做成的电介质，插入两极板之间，这时，验电器的偏转角将减小，这说 明电容器极板的电位差减小了，由于起电机已拿掉，电容器极板与外界绝 缘，极板上的电荷量Q保持不变，所以电位差U的减小，则意味着电容C的 增大，即插入电介质起到了增大电容的作用 【注意事项】1、当用起电机给极板带电后，即将电介质板插入，以免时间长电荷流失。

2、插入电介质时，请不要碰到极板实验九 压电效应实验目的演示压电晶体在压缩力作用下，在两面能够产生 电位差，即机械振动通过压电晶体转换为电振动 （电信号）；在晶体两面加上一定的电位差，晶 体。