亚克力水槽
约 30 cm × 30 cm，透明，底下可以垫实验底图。
作用：盛水，限定导电区域；槽壁本身不导电。
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ONLINE LAB · 测量典型静电场的等势面 · 第一部分
这套装置为什么能描绘电场？
怎样用它测量？
静电场看不见，也很难直接测。我们把它“搬”进一层薄薄的水里：水中的稳恒电流场和相应的静电场有相同的电势分布规律，而水中各点的电势，多用电表可以直接读出来。
用课堂器材找到三组电势分别相同的点，用三种颜色的小环标出三条等势线的形状。
课题叫“测量等势面”。我们直接测出的是槽底这个测量平面上的等势线——等势面与这个平面的交线；用这些截面上的线来认识等势面。
1 · 原理
为什么水里的测量能告诉我们静电场的样子
- 1
电池维持电势差
9 V 电池接到一对电极上，使两电极之间保持电势差。
- 2
水导电，也有电阻
水覆盖电极之间的区域，形成导电通路；因为水有电阻，水中不同位置的电势不同。
- 3
形成稳恒电流和稳恒电场
接通并稳定后，水中的电流分布不再随时间改变。“稳恒”是分布不变，不是处处电势相同、场强相同。
- 4
分布规律与静电场相同
水的导电性均匀、电极与边界相对应时，水中电势的空间分布与相应静电场遵循相同的数学规律。测水里的电势，就能认识对应的静电场。
| 静电场（教材中研究的） | 水槽中的稳恒电流场（我们测量的） | |
|---|---|---|
| 场怎样形成 | 静止的电荷产生 | 电池维持电极间电势差，电荷在水中定向移动 |
| 电荷是否移动 | 不移动 | 持续定向移动（电流），但分布不随时间变化 |
| 能否用电表直接测 | 空气不导电，表笔与电极之间没有通路，难以直接读出空间各点电势 | 水能导电，多用电表可以读出水中两点之间的电势差 |
| 电势的空间分布 | 由电荷与导体的形状、位置决定 | 电极形状、位置和水槽边界对应时，分布规律相同 |
一个必须记住的条件
电极的形状、位置和水槽的边界都会影响结果。水槽里测到的，是这个水槽、这组电极形成的场；它不能直接等同于教材中无限大空间里的理想点电荷场。比如 A 图用圆形金属环作负极，环内的等势线才是一个个同心圆；负极换成别的形状或位置，等势线的形状也会跟着改变。
2 · 装置
你拿到的每件器材，各起什么作用
正、负电极
圆柱、金属板、金属环等不同形状，按 A—E 底图摆放。
作用：不同形状与位置的组合，形成不同的电场分布。
9 V 电池
标称 9 V，一端接正电极，另一端接负电极。
作用：维持两电极之间约 9 V 的电势差，实际电压以电表读数为准。
多用电表与红、黑表笔
选直流电压 20 V 档。
作用：读出两个接触位置之间的电势差。
水
均匀覆盖槽底的测量区域，底图注明水深约 5 mm。
作用：形成连续的导电区域；水层薄而均匀，测到的是槽底这个平面上的分布。
黄、红、蓝三色小环
塑料制，压入水中放稳。
作用：只标记找到的等势点位置；小环不测电势，颜色本身也不代表电势。
3 · 电表与测量
在虚拟水槽里先走一遍
电表测的是电势差。红表笔接正电极、黑表笔接负电极，读数约 9 V，就是两电极之间的电压 U。
固定一端当参考。黑表笔一直接负电极，约定负电极为 0 V；红表笔在水中移动，读数就是该点的电势。
相同读数归为一组。三种颜色对应三个约定电势；找到读数相同的点就放同色小环，线的形状由测量得出。
多用电表● 读数稳定
0.00V
黑表笔插
红表笔插
选档位、插表笔
旋钮拨到直流电压（V⎓）20 V 档。电池标称 9 V：量程要比它大，又要尽量接近，读数才能精确到 0.01 V。
黑表笔插 COM，红表笔插电压测量插孔（这里标 VΩ，以手中电表的标识为准）。
可以故意点错档位或插孔，看电表会显示什么。
先测两电极之间的电压 U
红表笔接正电极，黑表笔接负电极，电表显示两电极之间的电压，约 9 V。
电表测的总是两个接触位置之间的电势差：红表笔处的电势减去黑表笔处的电势。把这个读数记作 U，写在底图右下角“实测端电压 U = ___ V”。
实际电压以电表读数为准；可以改成今天实测的值。
想一想：对调后为什么显示负值？
读数是“红表笔处电势 − 黑表笔处电势”。对调后红表笔接在低电势的负电极上，差值为负。测量时约定黑表笔在负电极，读数就都是正的。
固定黑表笔，移动红表笔
黑表笔一直接负电极，把负电极约定为 0 V。红表笔竖直插入水中，拖到不同位置：读数是该点相对负电极的电势差，就用它表示该点的电势。
向正电极靠近，读数趋向 U；向负电极靠近，读数趋向 0。
想一想：离正电极一样远的两点，读数一定相同吗？
不一定。切换到“C 点电荷和金属板”，在正电极左、右两侧等距离处各记一个读数比较。水中各点的电势由整个电极组合和槽壁共同决定，要以测量为准，不能只看离某一个电极的远近。
三色环：找三组电势相同的点
先约定三种颜色各代表多少伏。颜色本身不带电势，小环只是留下位置的记号。
先有相同的读数，才把这些点归为一组；等势线的形状由测量结果得出，不一定是圆。
模型说明：按水层均匀、槽壁绝缘、电极等电势计算，读数加入了约 ±0.01 V 的跳动。真实水槽还受水深、电极接触和表笔姿势影响，以实测读数为准。
4 · 操作要点
怎样得到位置明确、可以比较的读数
红表笔垂直水面插入，保持约定的深度和接触方式
为什么：倾斜时接触位置不明确；每次深度、姿势不同，读数就不能互相比较。
黑表笔与负电极保持可靠连接
为什么：所有读数都以负电极为 0 V 参考；参考端松动，读数会漂移或失去意义。
找点时不碰动电极，不扰乱已放好的小环
为什么：电极一动，整个电势分布就变了；已放好的环被碰偏，记录的位置就不准。
水面平静、读数稳定后再确认位置
为什么：读数跳动时确认，会把没对准的点当作等势点。读数在约定值附近小范围波动属正常。
5 · 自我检查
动手之前，确认你能做到
- 1 大致解释：水槽装置为什么可以模拟相应静电场的电势分布。
- 2 正确选择多用电表档位、连接表笔，并说出读数是哪两个位置之间的电势差。
- 3 固定负电极为参考端，用移动的红表笔测出水中各点的相对电势。
- 4 约定三种颜色所代表的电势，通过测量完成三组等势点标记，看出三条等势线的形状。
测完以后
测出的等势线怎样联系到电场线、电势地形、场强和带电粒子的运动，接下来用这些工具继续探究。