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平行板内部电势分布实验设计

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1、平行板内部电势分布实验设计摘要：探究平行板内部的电势分布;实验是帮助学生准确理解电势的概念以及匀强电场中电势的分布的重要实验。然而，传统的电势测量方法无法帮助学生构建完整的、立体空间内的电势分布规律，且不够严谨。为此，可在平行板内部建立立体坐标，用多用电表测量各个维度的电势值，并利用Excel处理数据，作出二维、三维图象。该实验设计不仅能让学生直观感受平行板内部的电势分布，而且可以作为拓展实验，让学生初步理解电解质、介电常数等概念。关键词：电势；平行板；坐标；二维图象；三维图象平行板电容器是高中阶段最常见的电学实验装置，其中包含的匀强电场是整个高中阶段最重要的概念之一。它的性质包含电场强度、电势以及它们的关系，是后续应用的根底1。传统电势测量所用的等势线描绘实验仪器;提供的都是二维平面内电势的分布，无法帮助学生构建完整的、立体空间内的电势分布规律。另外，只用所描的点就大致得出电势分布规律不够量化，也不够严谨。笔者改用一种新的方法测量常见电场平行板内部的电场的分布规律，利用Excel处理数据，便捷有效，能直观呈现平行板内部电势的二维、三维规律，非常方便学生理解和构建空间模型。同时，更改

2、平行板内部的介质，也便于学生初步建立相对介电常数;等概念。1实验设计原理本实验以平行板电容器为主体，用去离子水作为绝缘介质充满平行板内部。在坐标纸上分别标出三维坐标x，y，z上的58个刻度，固定于平行板内部，并用多用电表测出电笔置于不同平面坐标如：x-y平面、y-z平面等各位置的电压读数，利用计算机记录数据，然后利用Excel表格处理数据，作出二维图象和三维图象。学生分析图象，从而掌握平行板电容器内部电场电势的规律。也可以在后期把实验中的去离子水换成其他绝缘液体，初步感受材料的介电性质，了解介电常数的意义，这是本实验的延伸局部2。2实验探究过程实验设备主要包括：一对平行金属板、电源、开关、导线假设干、坐标纸、多用电表、去离子水、大塑料盒。多用电表是学生较少使用的仪器，且功能繁多，因此需要教师结合器材边讲解边示范其用法，以使学生尽快了解实验器材的功能和使用方法，从而为实验探究的顺利开展奠定根底。首先让师生共同讨论方案的操作步骤，然后利用课件显示具体内容，这样有利于促使学生的操作更标准，也能够有效地减小偶然性实验误差。主要操作步骤如下。1根据图1所示电路图连接电路，并保持开路。先把平行板电

3、容器放在塑料盒里，然后把坐标纸折成倒T形，等间距描58个点，并固定在极板中间。2向容器内部注入去离子水，深约5cm，接通电路。3把多用电表的负极电笔固定在电容器的负极板上，移动正极电笔，分别放置在x轴和y轴所组成平面内的64个位置，测量并记录数据；再移动正极电笔，分别放置在y轴、z轴所组成平面内的40个位置，测量并记录数据。如图3所示。4利用Excel画出电势随x轴坐标的变化图象Φ-x图象、电势随y轴坐标的变化图象Φ-y图象两张二维图片；再画出电势在x-y平面内的三维分布图象。在误差允许的范围内，x轴方向沿着电场线方向电势逐渐降低；y轴方向平行于金属板方向，即垂直电场线方向电势保持不变，是一条等势线；z轴方向水深方向，即垂直电场线方向电势保持不变，也是一条等势线。3教学评价和反思本实验所需材料简单，易操作，学生完成实验后都能到达误差范围内的理想结果。因为采用计算机作图处理，所以学生更能直观感受电势的分布规律，深刻理解匀强电场的概念。与传统实验相比，创新设计的实验有如下优点。1用去离子水充满平行板内部，增大电场强度，从而增大电势差，提升测量的准确性。2三维测量平行板内部的电势分布，比传统实验结果更加立体、丰富。3用计算机处理数据并作出图象，方便直观，且利用三维图象可直接得出平行板内部的电势分布规律。后续我们还可以利用这个实验进行拓展学习，以比拟不同材质的介电性。例如，可把去离子水换成油，重复以上实验，测定相同的位置，得出不同的数据，初步学习材料的相对介电常数;这个概念。本实验可操作性强，结果清晰，但是也存在一些问题。例如，因为多用电表的电笔长度短而导致容器中水深有限，所以z轴坐标上测量的数据只有几个，作为实验结果并不是很科学。后期我们可以使用特制加长的电笔，用以测量足够多的z轴数据。整体来说，学生完成实验并汇报实验结果，不仅表达了学生在课堂上的主体地位，而且增强了学生的合作与探究意识。学生通过真切的实验，感受到简单、常见的仪器也能完成很重要的实验，获得实验规律，体会到图象法在物理学中的应用优势。在这节课中，学生积极参与小组讨论环节，共同完成一项实验，达成了对原理的深刻认识。参考文献1金红星.探析平行板电容器电场分布情况J.中学物理，202113：6061.2朱柏树.创新实验，自主建构，突破电容教学难点J.中学物理，202123：1215.

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