邵恩浩 阿地力·吐爾遜

摘 要：一般來說，靜電場描繪電源的誤差難以左右，為了使靜電場的描繪實驗結果與理論數(shù)據較好地吻合，有必要改進雙探針裝置和雙支架平臺。若上彈簧片長度和標記點與鐵柱的垂直距離不吻合，彈簧片不穩(wěn)定，中心電極螺絲釘?shù)氖植酆吞结槻晃呛希腿菀讓е抡`差。本文討論誤差產生的原因，設計減小誤差的模型，羅列制作改進裝置所需的材料和注意事項，驗證改進裝置的實用性與準確性，最后對改進前后的裝置進行對比。

關鍵詞：靜電場;等臂記錄法;裝置改進;實驗誤差

中圖分類號：O441.1文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2021）17-0049-03

Research on the Improvement of the Experimental Device of

Depicting Electric Field by Equal Arm Recording Method

SHAO Enhao ADIL Tursun

（School of Physics and Electronic Engineering， Xinjiang Normal University，Urumqi Xinjiang 830054）

Abstract： Generally speaking， it is difficult to control the error of the electrostatic field description power supply， in order to make the experimental results of the electrostatic field description agree well with the theoretical data， it is necessary to improve the dual-probe device and the dual-support platform. If the length of the upper spring piece does not match the vertical distance between the marking point and the iron post， the spring piece is unstable， and the cross groove of the center electrode screw does not match the probe， it is easy to cause errors. This paper discusses the causes of errors， designs a model to reduce errors， lists the materials and precautions needed to make the improved device， verifies the practicability and accuracy of the improved device， and finally compares the device before and after the improvement.

Keywords： electrostatic field;equal arm recording method;device improvement;xperimental error

靜電場描繪實驗用來探究帶電體周圍靜電場的分布情況，由于電勢或電場強度都不易測量，因此用恒定電流場來模擬靜電場的電勢分布。實驗用到的記錄裝置采用等臂記錄法，它的原理是用導電紙作為導電介質，在其上用特定形狀的電極壓緊，在電極上加恒定直流電壓，則電極間的導電介質中就形成恒定電流場，導電紙和雙探針連接，下壓探針即可與導電紙接觸測量電勢，當找到等勢點后，按下探針進行記錄。而雙探針和雙支架平臺在實驗時需要人為操作，所以會出現(xiàn)多種需要解析的誤差。本文針對雙探針和雙支架平臺產生誤差的原因，提出有效的改進方法，使實驗結果更為精準。

1 上層探針產生的誤差及改進方法

靜電場描繪實驗通常需要使用雙探針和記錄紙，如圖1所示[1]。觀察發(fā)現(xiàn)，探針頭和記錄紙之間會有一定的距離。每按一下探針，彈簧片就會發(fā)生彈性形變，從而在記錄紙上留下標記點，如圖2所示。

1.1 誤差分析

分析圖2可得，因為彈簧片的長度不變（彈簧片變化微小，可以忽略不計），在按下探針的過程中，探針的初位置和末位置會以彈簧片末端為圓心發(fā)生偏轉，導致理論上探針在導電紙上的標記點會與實際點存在偏差。經測定，研究裝置的彈簧片長度[L]為24.7 cm。不同電壓下，壓下探針后，標記點與鐵柱的垂直距離[L0]、理想點與實際點的間距?[L]如表1所示。由表1可得，靜電場的描繪實驗中，標記點與真實點的平均誤差長度[ΔL]為0.30 cm。綜上所述，雙探針針頭會在被按壓過程中偏離豎直位置，產生誤差，進而影響實驗結果。

1.2 改進方法

想要解決雙探針針頭在被按壓過程中偏離豎直位置的問題，必須保證彈簧片不彎壓。然而，彎壓彈簧片的目的是使探針頭接觸記錄紙，所以只要另辟蹊徑使針頭接觸記錄紙，就可以解決問題。

本研究從生活中常用的按動筆獲得靈感來源，用一支“按動筆”代替探針作為標記點的工具。按動筆的頂部有一個存在很多斜槽與凹槽的齒輪，每個斜槽運動回合對應一個凹槽卡位，上方的齒輪凹槽為一淺一深，間隔排列。當按動筆時，下方的齒輪斜槽從上方齒輪的前一個凹槽中彈出來，然后沿著斜槽滑入相鄰的凹槽并且被卡住。如果卡在較深的凹槽，筆頭就進去，如果卡在較淺的凹槽，筆頭就出來，這兩種凹槽依次間隔排列，所以能有序控制筆頭的進出[2]。

本研究制作了一支按動筆，筆頭即為探針，如圖3所示。當壓下下層探棒時，探針即與導電紙接觸，可測量電勢，當找到等勢點時，按下上層探棒，探針伸出，在記錄紙上留下標記。

在原實驗裝置中，上下層探棒相同，理論上在制作時是可以互換的。改進后，下探棒的探針需要與導電紙接觸測量電勢，且不存在上探棒被按壓的情況，所以不需要改進下探棒，而且上下探棒不可互換。

2 彈簧片產生的誤差和改進方法

靜電場描繪實驗中，在用下層探針測量電勢時，要等待數(shù)據穩(wěn)定，再觀察和記錄靜電場描繪電源上的電勢讀數(shù)。

2.1 誤差分析

導致靜電場描繪電源上的電勢讀數(shù)不穩(wěn)定的原因是：下層探針測量電勢時，要移動下層探棒，使得兩層彈簧片產生較大幅度的晃動，探針在導電紙上發(fā)生位移，產生不穩(wěn)定的讀數(shù)。

為了探究不同人對實驗誤差的影響，本研究選取A（理智型）、B（情緒型）、C（意志型）三名不同性格的實驗者，讓其測量目標點的電勢（為了保證實驗的準確性，采取三次測量求平均值的辦法），最后與目標點測量的真實電勢比較，得出結論[3]。測定數(shù)據如表2所示。為了避免A性格理智影響實驗數(shù)據分析，目標點選取1.05 V。誤差程度的大小在于實驗者在移動下層探棒時嚴謹與否。為了減小人為誤差，在實驗者移動裝置的過程中，要減小彈簧片擺動幅度。

2.2 改進方法

三角形具有穩(wěn)定性，在不移動雙探針裝置的情況下，不妨將彈簧片改進成三角形，如圖4所示[4]。此外，彈簧片制作材料應當選擇密度大的金屬，如鉑、鎢、銅等。

3 十字槽盤頭螺絲釘作為中心電極產生的誤差和改進方法

以實驗中常用的雙支架平臺為例，雙支架平臺的下層為模擬中同軸帶點圓柱體間靜電場用的電極。實驗發(fā)現(xiàn)，雙支架平臺的中心電極接頭為十字槽盤頭螺絲釘，如圖5所示。當壓下下層探棒時，探針即與十字槽盤頭螺絲釘接觸，可記錄中心電極的位置。

3.1 誤差分析

由于十字盤頭螺絲釘?shù)拿表敒槭中伟疾郏谔结樂湃氚疾鄞_定圓心時，探針很可能會偏離中心位置，導致無法確定準確的圓心位置，進而影響靜電場描繪實驗對等勢線的描繪[5]。理論上，本實驗在描繪每個等勢線之前，要標記出多個與圓心相同距離的點，最后才能描繪出數(shù)個以中心電極為圓心的同心圓。若探針偏離中心電極，則無法標記出與圓心相同距離的點，也無法描繪出數(shù)個以中心電極為圓心的同心圓或描繪出的同心圓有嚴重偏差。

3.2 改進方法

解決探針偏離中心電極的方法是改進螺絲釘?shù)氖植?。以漏斗為靈感來源（漏斗是一種筒狀物體，被用于把液體及粉狀物體注入口較細小的容器），將凹槽改為漏斗形，將漏斗的咀部制作成尖頭，則無論探針被移動到何處，針頭本身受到地球的萬有引力作用，并且受到的萬有引力大于其他方向的作用力（主要是針頭與漏斗形凹槽斜內壁的摩擦力）的合力，所以探針頭朝萬有引力的方向運動，即總會沿著凹槽壁滑入中心電極。

4 結論

本研究制作了一支按動筆，筆頭即為探針。其間將彈簧片改進成三角形，用漏斗形凹槽的螺絲釘代替十字槽盤頭螺絲釘。當壓下下層探棒時，探針即與導電紙接觸，可測量電勢。改進材料單的內容有按動筆型探針、三角形彈簧片、具有漏斗形凹槽的螺絲釘。注意事項如下：上下探針不可互換，選取大密度材料，咀部改為尖頭。本文針對大學實驗室常用的雙探針裝置和雙支架平臺進行改進。當然，在平常進行實驗時，以上誤差幾乎可以忽略不計，但是就實驗應當嚴謹?shù)慕嵌?，靜電場描繪的器材還是值得改進。

參考文獻：

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[3]阿玉.你的性格是情緒型、理智型、意志型？[J].人人健康，2000（3）：53.

[4]王新民.三角形穩(wěn)定性的基本內涵及其教學定位[J].內江師范學院學報，2017（12）：28-32.

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