高中物理电磁学实验大全上.docx

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高中物理电磁学实验大全上

电磁学实验大全（上）

电场

1库仑定律电场强度

1、两种电荷间相互作用

实验仪器：

有机玻璃棒、丝绸、碎纸片、毛皮、橡胶棒（2支）

教师操作：

用橡胶棒与毛皮摩擦后，放于碎纸片附近观察橡胶棒吸引碎纸片情况。

实验现象：

被橡胶棒吸起的纸片中，较大的纸片先落下来。

实验结论：

橡胶棒与丝绸摩擦后就带电了，带电物体会吸引轻小物体；带电体在空气中不断放电，使它带电量不断减少，因而吸引轻小物体的力也相应减小，所以较大纸片先落下来。

教师操作：

将橡胶棒摩擦过的毛皮靠近碎纸片。

实验现象：

毛皮带上正电，也会吸引轻小物体。

教师操作：

用云台支起一根橡胶棒，再将它与另一根橡胶棒并在一起，用毛皮摩擦它们的一端，使之带上同种电荷，再观察两端相互作用的情况，发现它们相斥，而且它们的距离越小斥力越大，过一会儿，它们间的作用力会明显减弱。

实验结论：

它们带上了同种电荷，而电荷间作用的规律是同种电荷相斥，异种电荷相吸，斥力的大小与电荷间的距离有关，距离越小，斥力越大，反之，距离越大，斥力越小；斥力的大小还与电量有关，电量越大，斥力越大；由于放电的原因，棒上的电量不断减小，而斥力也随时间的增大而明显减小。

2、电荷量及元电荷

实验仪器：

密立根油滴仪（J2438）、猴头喷雾器、停表、钟表油

密立根油滴仪：

它的外形结构如图所示，这是一种专为中学设计的仪器。

它主要由电源、观察显微镜、油滴室、照明系统等组成。

仪器电源在底座内，它将交流220伏输入电压变为直流500伏和交流7伏；观察显微镜带有刻度分划板，便于读出油滴运动的距离，配合计时停表，可测定油滴运动速度，利用齿轮、齿条的调焦，能清晰观察油滴。

油滴室内是两块水平放置的平行金属板组成的电容器，电容器上的直流电压在0～500伏内连续可调，平行极板的极性由三挡换向电键转换，电压大小由直流电压表指示，改变电压的大小和方向可以控制油滴在电场中运动的快慢和方向；照明系统采用6～8伏，3瓦灯泡为光源，发热量小，发出的光经聚光镜将平行极板内的油滴照亮，它可绕转臂旋转，便于调节视场照度。

实验目的：

学习密立根油滴实验方法，通过对不同油滴所带电量的测量，总结出油滴所带的电量总是某一个最小固定值的整数倍，从而得出存在着基本电荷的结论。

通过实验认识电子的存在，认识电荷的不连续性。

实验原理：

用喷雾器将油滴喷入电容器两块水平的平行电极板之间时，油滴经喷射后，一般都是带电的。

在不加电场的情况下，小油滴受重力作用而降落，当重力与空气的浮力和粘滞阻力平衡时，它便作匀速下降，它们之间的关系是：

mg=F1+B　　

（1）

式中：

mg──油滴受的重力，F1──空气的粘滞阻力，B──空气的浮力。

令σ、ρ分别表示油滴和空气的密度；a为油滴的半径；η为空气的粘滞系数；vg为油滴匀速下降速度。

因此油滴受的重力为mg=

πa3σg，空气的浮力B=

πa3ρg，空气的粘滞阻力F1=6πηavg（流体力学的斯托克斯定律）。

于是

（1）式变为：

πa3σg=

πa3ρg+6πηavg

可得出油滴的半径　a=3

（2）

当平行电极板间加上电场时，设油滴所带电量为q，它所受到的静电力为qE，E为平行极板间的电场强度，E＝

，U为两极板间的电势差，d为两板间的距离。

适当选择电势差U的大小和方向，使油滴受到电场的作用向上运动，以vE表示上升的速度。

当油滴匀速上升时，可得到如下关系式：

F2+mg=qE+B　　　（3）

上式中F2为油滴上升速度为vE时空气的粘滞阻力：

F2=6πηavE

由

（1）、（3）式得到油滴所带电量q为

q=

=

（vg+vE）　　　（4）

（4）式表明，按

（2）式求出油滴的半径a后，由测定的油滴不加电场时下降速度vg和加上电场时油滴匀速上升的速度vE，就可以求出所带的电量q。

注意上述公式的推导过程中都是对同一个油滴而言的，因而对同一个油滴，要在实验中测出一组vg、vE的相应数据。

用上述方法对许多不同的油滴进行测量。

结果表明，油滴所带的电量总是某一个最小固定值的整数倍，这个最小电荷就是电子所带的电量e。

教师操作：

（1）将仪器接入220伏交流电源。

（2）高压电源调节置于0位置，旋开油滴室盖子，把水准器放置在上极板面上，利用调平螺钉将油滴室内的平行板电容器板面调节水平。

调节显微镜目镜，使分划板刻线明显清晰。

再把直别针插入上板小孔中，调节光源角度，直到从显微镜中观察直别针周围光场最明亮、范围最大和光强均匀为止，然后拨出直别针拧上盖子准备喷油。

由于本步骤要调节电容器极板，谨防极板带电。

（3）用喷雾器将油滴喷入油滴室内，从显微镜中观察油滴运动情况。

实验时先找一个合适的油滴（较小的油滴，运动较缓慢，所带电量小于5个基本电量），使它自由落下，然后再加上电场使它向上运动（上升太快或太慢就适当调节电压）。

这样在重力和电场力交替作用下，让油滴反复上升、下落若干次，在整个视场内都可以看得很清楚，否则需要重新选择。

（4）用停表作记录：

记录油滴n次下落一定的距离L（显微镜分划板刻线的距离），所经历的总时间tg总，记录油滴n次上升同一距离L，所经历的总时间tE总（两次记录必须是对同一油滴），用油滴所通过的总距离nL分别除以总时间tg总及tE总就得出vg和vE利用公式（4）算出油滴所带的电量q。

（5）按照上述方法选取6～10个不同的油滴进行测量，计算它们各自所带的电量。

3、库仑定律

（1）

实验仪器：

铁架台、轻导体小球A和B、绝缘的导体球C（球A、B和C的大小和形状都相同）、镜尺（或透明标尺）、丝线（1米左右）、米尺、静电感应起电机、废唱片或塑料板、学生天平（J0104型）

轻导体小球：

将乒乓球用细砂纸磨薄，其上涂一层碳素墨水，即成一个轻的导体小球。

也可将磨薄的乒乓球涂上乳胶再粘细铜粉，待胶干后细心地将球面抛光，可以得到貌似铜质的导体小球，其质量仅1克左右（可以由物理天平称出）。

实验原理：

带电体之间的作用力决定于它们之间的距离和它们所带的电量。

本实验是通过共点力平衡的方法来测量带电体之间的作用力的。

将一个带电小球A用细丝线悬挂，并将另一与小球A带同种电荷的带电球B与它靠近，且受B的静电斥力作用而发生偏移，如图所示；测量A球的质量m，测量悬点到A球球心的长度L和A球偏移的距离d。

当L>>d时有F=mgtgθ＝mg

，由此即可以得出小球A所受到的库仑力。

教师操作：

装置如图所示。

（1）称量小球的质量m值。

（2）测量悬点到小球球心的距离L值。

（3）将B球固定在绝缘支座D上，A球用丝线悬挂在支架上，并调好竖直与水平位置。

（4）使A球与B球带上同种等量的电荷（方法见“注意事项”4），移动B球支座3～5次，改变两球之间距离，用镜尺测量两球的距离r和A球偏移的距离d，将实验数据记录在表中。

A球质量m=_______gL=_________cm

A球偏移d（cm）

两球距离r（cm）

（m－2）

静电斥力F（N）

（5）根据实验数据作出F－

图象。

让学生作出结论。

（6）用绝缘导体球先后分别与A、B两球接触，使其电量减半，随着A球位置的不同适当调整B球支座位置，以保持两球距离不变，并记录数据，填入表中，然后作出结论。

A球质量m=_______gL=_________cm

A球电量

B球电量

A球偏移d（cm）

静电斥力F（N）

（7）分析误差原因。

实验结论：

电荷之间存在着相互作用力，力的大小与电量的大小、电荷间距离的大小有关，电量越大，距离越近，作用力就越大；反之电量越小，距离越远，作用力就越小；作用力的方向，可用同种电荷相斥，异种电荷相吸的规律确定。

注意事项：

（1）在完成F－

图象时，可以发现第二次测量所得数据偏离直线较多，其原因是由于开始时带电小球带电量较多，其电势高，容易漏电所致，所以误差较大。

（2）分析表的数据时应注意，由公式F＝

计算出的静电力越来越小于理论值（与两电荷电量的乘积比较），这是由于带电小球不断漏电的原因。

（3）从实验结果可以发现，两带电小球相距越远，带电量越小，测量结果越符合库仑定律，这是由于带电小球相距越远，带电量越少，小球上的电量分布相对来说就越均匀，更接近于点电荷。

对于这一现象的分析可以使学生进一步明确库仑定律的适用条件。

（4）使两个绝缘导体小球带同种等量电荷的方法：

将两小球接触，用带电起电盘接触其中任一小球，拿走起电盘，使两小球分开，这两个小球便带上了同种等量电荷。

（5）使绝缘导体小球所带电量减半的方法：

用另一完全相同的不带电绝缘导体小球与带电球接触，即可使带电球的电量减半。

（6）保持器材的清洁和干燥是完成实验，减少误差的重要保证。

实验过程中动作要迅速，以免漏电过多。

4、库仑定律

（2）

实验仪器：

库仑扭秤（KN200-A）、感应起电机（J2310型）

库伦扭秤：

库仑扭秤由悬丝、横杆、两个带电金属小球，一个平衡小球，一个递电小球、旋钮和电磁阻尼部分等组成。

两个带电金属小球中，一个固定在绝缘竖直支杆上，另一个固定在水平绝缘横杆的一端，横杆的另一端固定一个平衡小球。

横杆的中心用悬丝吊起，和顶部的旋钮相连，转动旋钮，可以扭转悬丝带动绝缘横杆转动，停在某一适当的位置。

横杆上的金属小球（称为动球）和竖直支杆上的固定小球都在以O为圆心，半杆长L为半径的圆周上，动球相对于固定小球的位置，可通过扭秤外壳上的刻线标出的圆心角来读出。

当两个金属小球带电时，横杆在动球受到的库仑力力矩作用下旋转，悬丝发生扭转形变，悬丝的扭转力矩和库仑力力矩相平衡时，横杆处于静止状态。

仪器的中心轴上装有一个永磁体托架，旋开其上紧固螺钉，可使托架升降，以改变永磁体和横杆上的阻尼金属板的距离，调整横杆转动的电磁阻尼时间。

整个仪器都装在有机玻璃罩内，既有较高的透明度，又可防灰尘。

有机玻璃罩的下半部做成可开合的门，以便清洁绝缘横杆和竖立支杆，调整绝缘横杆的水平，使金属小球带电等。

仪器的底座上装有三个螺旋支脚，旋转支脚，可调底座水平。

实验原理：

本实验利用悬丝的扭转力矩与静电力力矩相平衡的办法比较电场力的大小。

如图所示，半横杆长为L，O为中心，A为固定小球，B为动球，A、B同在以O为圆心，L为半径的圆弧上。

金属小球不带电时，A和B球刚好接触。

横杆上的动球处于B′位置，∠AOB′＝φ。

金属小球带同种电荷后，横杆绕O转动θi角，动球处于B位置，静电力F1的力矩和悬丝的扭转力矩平衡。

F1lcos（

）=κθ1

（1）

两球中心的距

r1=2lsin（

）　　

（2）

保持两个带电金属小球所带的电量不变，旋转仪器项部的旋钮，扭转悬丝从而改变动球B的位置，例如，反向转动（图中的顺时针方向）旋钮，转过a角，使得动球转动的角度减为θ′，悬丝扭转的角度θi＝θ′＋a。

达到平衡时，有：

F2lcos（

）=κ（θ′+α）　　（3）

R2=2lsin（

）　　（4）

①／③得：

=

·

　　　　　（5）

②／④得：

=

　　　　　（6）

测出θi，θ′和a角，（φ角由仪器直接给出），比较

与

，可以验证

=（

）2即F∝

。

由于递电小球和两个金属小球的形状和大小完全相同，因此，相互接触时，两球所带的电量相等。

用不带电的递电小球和带电小球相接触，可使带电小球所带电量减半，使得小球带的电量为q，

，

，……。

当带电金属小球所带电量减少时，横杆转过的角度减小，旋转仪器顶部的旋钮（图中逆时针方向）使得动球相对于A球转过的角度仍为θ1，这时记录下旋扭转过的角度a，悬丝扭转的角度为θ2＝θ1－a。

横杆处于平衡，有

F′lcos（

）=κ（θ1-α）　　（7）

①／⑦得：

=

　　　（8）

测出θ1和a角，比较

与电量的变化

，可以验证

＝

即F∝q1·q2。

教师操作：

（1）检查绝缘横杆和竖直支杆是否漏电。

将两个金属小球调到刚好接触，再使金属球带电，由于两球带同种电荷。

互相推斥，动球B被推斥开一定的角度，观察动球B相对于A球转过的角度。

如果绝缘杆漏电，这个角度将很快变小，这时需用干燥洁净的餐巾纸擦净绝缘横杆和竖直支杆，直到两球带电后，动球转过的角度能在一段较长的时间内保持不变，即基本不漏电。

（2）调整底座支脚，使底座处于水平，调整横杆下的阻尼金属板上的调平衡螺钉，使横杆处于水平，并能自由转动。

（3）转动仪器顶部的旋钮，使得金属球不带电时，动球B和A球刚好接触。

调整刻度盘的位置，使旋钮指针指示的位置为0°。

（4）将递电小球与感应起电机的放电杆相接触。

使之带电，再将它与扭秤的金属小球接触。

将电荷传递给两个金属小球，固定小球A和动球B带同种电荷后，互相推斥，动球B转过θ1角度后处于静止，记录θ1值。

（5）保持两个带电小球所带的电量不变，旋转仪器顶部的旋钮，如顺时针转过a角，使动球B转过的角度减为θ′，代入公式（5）中，计算

，代入公式（6）中计算

，改变旋钮转过的角度a，再重复测量2次，填入表1中。

表1两球电量不变，验证F∝

带电后动球转过的角度θ1

旋钮反向转过的角度α

动球角度减小转过的角度θ′

悬丝的扭角

θ2=θ′+α

=

·

=

Ⅰ

1

2

3

Ⅱ

1

2

3

Ⅲ

1

2

3

其中φ＝_____，

实验结论：

_____________________________。

（6）改变小球开始带的电量，重复步骤4、5，再实验2次，比较不同带电量情况下

和

的关系，填入表1中。

（7）重新使带电小球带电，并记录动球B处于平衡时转过的角度θ1。

（8）用不带电的递电小球与固定小球A相接触，使其所带电量减半，可见动球转过的角度减小，旋转仪器顶部的旋钮，使得动球B转过的角度仍为θ1，记录旋钮转过的角度a，代入公式（8）中，计算

。

再使不带电的速电小球与带电小球A接触，使其电量再减半，测量角度a（共做三次实验得三组数据），计算

，填入表2中。

（9）改变小球开始带电的电量，重复步骤7、8，再实验2次，比较不同的距离r情况下，

与电量

的关系，填入表2中。

表2两球距离不变，验证F∝q1·q2

两球带电后动球B转过的角度θ1

电量减半后，动球位置不变时，旋钮转过的角度α

悬丝的扭角θ2=θ1－α

=

电量之比

Ⅰ

1

2

2

4

3

8

Ⅱ

1

2

2

4

3

8

Ⅲ

1

2

2

4

3

8

实验结论__________________。

注意事项：

（1）因静电带电体极易吸附空气中的灰尘，从而使横杆，竖直支杆也吸附灰尘而漏电，故实验前的清洁工作是保证实验成功的关键。

（2）两个带电金属小球相距较远时，才能视为点电荷，中心为球心处。

因而动球B转过的角度太小时，带电金属球不能视为点电荷，实验测量结果会有较大的偏差。

（3）仪器贮藏时，应把中心托架升起，用紧固螺钉固紧，令横杆支承在托架上，使悬丝处于松驰状态。

整个仪器须罩上塑料薄膜袋，放于干燥清洁处。

5、电场线

实验仪器：

静电感应起电机、电场线演示器、容器、油酸、头发碎屑

静电感应起电机：

（1）构造：

静电感应起电机由底座、莱顿瓶、支架、放电叉绝缘柄、集电杆（电流）、放电叉杆、导电层、中和电刷（感应电刷）、电刷杆、上轴及上轴螺钉、莱顿瓶盖、导电弹簧、大皮轮带、连接片（1～14）。

（2）原理：

起电机是利用感应作用来起点的一种仪器，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大量电荷。

（3）保养

①起电机使用时必须有清洁而干燥的表面，否则很难起电，要使表面清洁可用刷子软干布除去起电机上的灰尘。

②冬季室内的湿度较高，而仪器从寒冷的室外搬进人数较多的教室时，可能导致实验失败；假若前节课在教室点过酒精灯或瓦斯灯，以致室内有大量的二氧化碳存在，也能影响起电，在这种情况下，应打开门窗，放出浊气，换进清洁的空气。

③有时由于中和电刷与导电层失去接触，使仪器不能起电，因此需要随时检查。

④中和电刷与集电杆相对位置——设摇手柄为前方，后方皮带交叉，电刷位置应斜于左上方和右下方，前后电刷互成直角。

教师演示：

一个点电极的电场；两个异性点电极的电场；两个同性点电极的电场；平行板间的匀强电场；金属环不接地时，环内外电场；金属环接地时，环内外电场；雨滴形导体外电场。

2电场能的性质

电场中等势线的描绘

实验仪器：

学生电源（6V）、灵敏电流计、开关、导电纸、复写纸、白纸、带两个金属电极的等势线描绘仪、探针两支、图钉、导线

实验原理：

在平面导电纸上的恒定电流模拟真空中的等量异种电荷静电场，当在场中与导电纸接触的两探针尖端的电势差为零时，与探针相连的电流表中电流为零，从而可以通过探针找出电流场中的等势点，并依据等势点描出等势线。

学生操作：

（1）在等势线描绘仪上由下而上依次铺放白纸、复写纸、导电纸各一张，导电纸的有导电介质的一面要朝上，用螺钉固定三长纸。

（2）两电极分别与6V直流电源的正负极连接起来，再将两探针分别接到灵敏电流计的“+、-”接线柱上。

（3）在导电纸上画出两电极之间的直线，在直线上取大致间距相等的五个点作基准点，并用探针把它们的位置复印在白纸上。

（4）接通电源，将一探针跟某一基准点接触，另一探针在此基准点附近的导电纸上移动，找到一点使电流表指针不发生偏转，用探针把这一位置复印在白纸上。

（5）按（4）的方法，在此基准点的两侧逐步由近及远地各探测出五个等势点，相邻两个等势点之间距离约1cm。

（6）用同样的方法，探测出另外四个基准点的等势点。

（7）断开电源，取出白纸，根据五个基准点的等势点，画出五条平滑的曲线，即为等势线。

注意事项：

（1）安装纸的顺序必须自下而上是白纸、复写纸、导电纸，导电纸有导电介质的一面要向上。

（2）电极与导电纸要接触良好。

（3）寻找等势点时，应从基准点附近由近及远的逐渐移动，不可大跨度移动。

（4）探测等势线时不要太靠近导电纸的边缘。

（5）导电纸上的导电物质很薄，寻找等势点时，不要用探针在导电纸上划动，用点接触法。

3静电场中的导体电容器

1、静电感应

实验仪器：

静电感应起电机、球形导体、枕形导体（1对）、验电器（2个）、绝缘支架、移电球

教师操作：

利用起电机使绝缘金属球带电，从而产生电场，把枕形导体靠近A摆放，且接触良好；将不带电移电球A先与B接触，再与验电器金属球D接触，如此反复，可见D金属箔张开；同样，可让A与C接触，再与E接触，反复几次，可见E金属箔也张开。

实验结论：

B、C两端带电。

教师操作：

将A上电荷放掉，让A与C接触后与D接触，反复几次，可见D金属箔张角变小。

实验结论：

B、C两端电荷异号。

教师操作：

用A与B、C中部接触的，再与验电器接触，验电器金属箱不张开。

实验结论：

电荷分布在两端。

教师操作：

用手摸一下枕形导体，使两部分分开；分别检验枕形导体两部分电性。

2、电荷的分布

实验仪器：

静电感应起电机、尖形布电器、移电球、箔片验电器

教师操作：

使尖形布电器带电，用移电球分别多次接触布电器内外，再与验电器接触，观察验电器张开情况。

实验现象：

移电球与布电器内部接触时，验电器不张开；与外部接触时，验电器逐渐张开。

3、静电屏蔽

实验仪器：

静电感应起电机、球形导体、箔片验电器、金属网罩、纸条、导线

教师操作：

使导体球带电，接近验电器，验电器张开；用金属网罩罩上验电器，使导体球再次靠近验电器，验电器不再张开。

教师操作：

把静电感应起电机与球形导体用导线相连，用金属网罩罩上球形导体，金属网罩外边粘上纸条，使导体球带电，观察纸条，使验电器靠近金属网罩，观察箔片张开情况，可见箔片张开；用导线把金属网罩接地，重复上述操作，箔片不再张开。

4、平行板电容器

实验仪器：

平行板电容器（J2309）、指针验电器（J2305）、静电感应起电机（J2310）

教师操作：

平行板电容器所带的电量Q与两板间电势差U的关系；平行板电容器的电容C与两极板间的距离d的关系；平行板电容器的电容C与两板间的相对面积S的关系；平行板电容器的电容C与两板间电介质有关

5、常用电容器

实验仪器：

常用电容器示教板（J2319）

6、电容器的电容

实验仪器：

学生电源（J1202型或J1202－1型）、直流电压表（J0408型或J0408－1型）、检流计（J0409型或J0409－1型）、滑动H变阻器（J2354－1型）、简式电阻箱（J2362－1型）、电解电容器（25伏，470－1000微法）、单刀开关2个（J2352型）、停表、导线若干

实验目的：

深入理解电容概念，掌握利用电容器通过高电阻放电测电容的方法，学会计算曲线下面积的方法。

实验原理：

电容器充电后，所带电量Q与两极板间电压U和电容C之间满足Q＝CU的关系。

U可由直流电压表测出，Q可由电容器放电测量。

使电容器通过高电阻放电，放电电流随电容器两极板间的电压下降而减少，通过测出不同时刻的放电电流值，直至I＝0，作出放电电流I随时间变化的曲线，曲线下的面积即等于电容器所带电量。

由C＝

可求出电容器的电容值。

教师操作：

（1）连接好电路，滑动变阻器R′先调在输出电压最小的位置，电阻箱R调至最大阻值，并串接一个定值电阻，使放电电阻的总阻值大约在10－12千欧左右。

电源电压选择6伏稳压输出。

接通电源后，调节滑动变阻器R′，使电压表示数为某一确定值（如2.5伏），然后闭合开关S，给电容器充电。

当电容器两端电压U0到达某一稳定电压U时，充电完毕。

记下此时的电压表和检流计的示数。

（2）断开开关S′和S同时开始计时，这时电容器通过电阻R放电，放电电流iC随时间t的增加而减小，每间隔5秒读取并记录一次检流计的电流值，直到电流消失为止。

将测量结果记入下表。

充电电压U1＝（V）

时间（s）

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

放电电流ic（μA）

充电电压U2＝（V）

时间（s）

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

放电电流ic（μA）

充电电压U3＝（V）

时间（s）

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

放电电流ic（μA）

（3）以放电电流为纵坐标，放电时间为横坐标，在坐标纸上作充电电压为U1＝2.5伏时的实验曲线。

（4）计算实验曲线与坐标轴所围图形的面积，即可求出电容器在充电结束时所带的电量。

具体计算方法是：

首先，以坐标纸上0.5×0.5厘米2的一个小方格作为面积计量单位，数出实验曲线下有多少完整的小方格。

对于曲线通过其中的小方格，凡曲线下的部分超过该格一半面积的记为一个小方格，不