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靜電場的描繪范文1
靜電場描：繪實驗是高等院校普遍開設的一個基本的電磁學實驗，因為直接測量靜電場會因測量儀器的介入導致原靜電場發生畸變而對其測量帶來很大的困難，而穩恒電流場在導體中的分布規律和真空中靜電場電勢的分布規律完全相似。因此，通常是用穩恒電流場來模擬靜電場，稱這種方法為模擬法描繪靜電場。
傳統的靜：電場描繪實驗裝置中，電極之問的導電介質通常用導電紙。目前，也有不少裝置采用水來代替導電紙，但這兩種方法均存在一系列的缺陷，導致描繪誤差太大，嚴重影響了實驗的效果。
針對以上兩種介質存在的問題，我們對靜電場描繪儀作了改進：以鍍有ITO膜的導電玻璃作為電極之間的導電介質，采用雙層探針直接記錄各等勢點坐標，通過描點的方法來描繪電場。我們對改進后的靜電場描繪儀進行反復試驗，效果很理想。
一、理論依據
導電介質中穩恒電流場和真空中靜電場的電勢都滿足拉普拉斯方程。給定邊值的拉普拉斯方程有唯一解，如果這兩種處于相同的邊值條件下，則它們的解是相同的。因而，可以用均勻導電介質中的電流場來模擬真空中具有相應分布的靜電場。
兩個通以穩恒電流的同心圓環電極可以用來模擬兩個帶等量異號電荷的無限長同軸圓柱面問的電場分布。很容易證明在這種情況下有式中a，b分別為內外圓環電極的半徑，Ua為兩極間的電勢差，u為穩恒電流場中距圓心r處的電勢。
二、傳統的描繪儀及其存在的缺陷
傳統的靜電場描繪儀如圖所示，一般有兩種做法一種是采用涂有石墨的導電紙作為電介質，通過探針和定位針，實現定量記錄和數據分析，另一種是用水來代替導電紙作電介質，方法是在一個透明的有機玻璃水槽中固定電極，然后在水槽中裝上適量的水，放到實驗架的下層進行實驗。
1．前一種描繪儀存在的缺陷
(1)導電紙上導電薄層涂得不均勻，導電紙電阻在各個方向均勻性較差，這樣電流場分布與被模擬靜電場分布不完全一樣，使得實驗準確度，重復性較差。
(2)電極與導電紙的接觸不均勻以及探針與導電紙的接觸因人次數而異，使得接觸電阻不穩定，影響描繪結果。
(3)測量時，探針在導電紙點接觸移動且重復接觸，使得導電紙破損，這樣一方面直接影響導電紙的導電性能，影響實驗效果，另一方面影響導電紙的使用壽命，頻繁更換導電紙，加大實驗成本。
由于存在這些缺陷，所以用此描繪儀測得的結果誤差比較大，模擬靜電場的效果不是很理想。是用一張全新的導電紙作為電介質模擬的結果。若為反復使用過的導電紙，誤差更大。
2．后一種描繪儀存在的缺陷
以水作為電介質可以減少導電紙電介質的不足，但由于水自身的特點，不可避免存在以下的缺陷：
(1)水是弱電解質，在外加直流電源的作用下，電解產生氫氣和氧氣，這些氣體以氣泡的形式附在電極表面。這樣，一方面使得內、外電極表面區域偏離模擬條件，另一方面氧氣會使陽極表面氧化，覆蓋在電極上的氧化層與水的電阻率不同，影響模擬效果。再者，未電解的離子也會產生與外電壓方向相反的電壓來破壞模擬條件。
(2)水是有極分子，在外電場作用下產生位移極化和取向極化。兩種極化都使得內外電極表面出現束縛電荷，束縛電荷要在水介質內產生與外電場方向相反的附加電場，因此破壞了模擬條件。
(3)每次實驗都要更換水槽中的水，且水槽中水的多少還影響模擬的效果，這樣給學生實驗帶來極大的不方便。
因此，用水作為電介質來做這個實驗也不是很理想。
三、改進的描繪儀及其優點
針對上述傳統描繪儀的缺陷，我們對傳統靜電場描繪儀作了一些改進。我們的做法是選用合適的鍍有ITO膜的導電玻璃來代替傳統的導電紙或水，將其作為兩電極問的電介質。我們選用的這種電介質和傳統的兩種電介質相比，至少具有以下優點：
1．ITO膜導電層是采用真空鍍膜技術形成的，表面均勻性和電阻均勻度均較好，模擬條件良好，提高了實驗的準確性。
2．ITO膜導電層耐磨性好，不會因為和探針的反復接觸而被破壞，這樣既提高了實驗的可重復性，又避免了頻繁更換實驗耗材，延長了儀器的使用壽命，節約了實驗成本。
3．用ITO膜的導電玻璃代替水作為電介質，可以完全克服水的缺點，達到最佳的模擬條件。
靜電場的描繪范文2
關鍵詞： 新課程改革 物理實驗教學 思想方法
物理是一門以實驗為基礎的學科，許多物理概念、現象、規律都是通過實驗發現總結出來的。因此，在平時的教學中應培養學生的實驗意識，搞好實驗課教學，通過實驗再現客觀世界，探究驗證其中的規律。這樣，既能真實有效地幫助學生認識物理現象和周圍世界，掌握物理知識，又能激發學生的學習興趣和創新意識，進一步提高學生發現問題、提出問題和解決問題的能力。下面就物理實驗教學中常見的思想方法進行歸納。
一、理想化法
理想化法是中學物理課本中研究物理現象和規律最基本、最廣泛的方法，在研究的過程中假設一些理想條件或忽略某些次要因素，突出本質因素，從而得到與實際情況近似的合理結果。
其一般包括兩個方面：理想化實驗和理想化模型。理想化實驗是在真實實驗的基礎上，通過對條件進行理想化處理，進一步得出更本質的結論，是一種假想實驗或思想上的實驗，不能用真實實驗直接探究或驗證。例如伽利略論證慣性定律所設想的實驗就是物理學史上著名的理想實驗，其認為若沒有摩擦阻力，從斜面滾下的小球將在無限長的水平面上永遠運動下去。理想化模型可以說已經滲透到了課本中，尤其在實驗中常常用來代替客觀原型。實驗“探究單擺周期與擺長的關系”，單擺就是實際擺的理想化模型，實驗過程中也采用了理想化處理，假設懸線不可伸長，懸點的摩擦和小球擺動過程中空氣阻力不計，等等；電學實驗中把電壓表看作內阻無窮大的理想電壓表，把電流表看作內阻為零的理想電流表；運動學中的質點、自由落體運動、勻速直線運動，機械振動中的彈簧振子，靜電場中的點電荷、試探電荷、勻強電場等都進行了理想化處理。
二、等效替代法
等效替代法是物理實驗中常用的研究方法，是把一些復雜問題用簡單的或已經解決的問題來代替，但不會改變物理效果。比如“探究求合力的方法”實驗，先用兩個互成角度的力拉橡皮條，再用一個力代替這兩個力使橡皮條伸長相同的長度，兩種情況下作用效果相同，是一種等效替代，把這一個力稱為另外兩個力的合力；“碰撞中的動量守恒”實驗，把小球水平速度的測量等效地轉化為水平位移，這種方法直觀明了，大大地簡化了實驗過程。
三、累積法
實驗中一些微小量用常規儀器難以直接準確測量，將其累積變大量測量的方法為累積法。例如“探究單擺周期與擺長關系”實驗，用秒表直接測量單擺做一次全振動的時間T，誤差很大，這時，可測量多次（30―50次）全振動的時間t，那么，單擺的周期T=t/n（n為全振動次數）。這種方法可提高測量準確度，減小實驗相對誤差。在“測定金屬電阻率”的實驗中，除了用螺旋測微器直接測量金屬絲直徑外，還可將金屬絲密繞在鉛筆上，由線圈的排列長度除以圈數得到金屬絲直徑。
四、模擬法
它是通過設計與物理現象或過程相似的模型，并利用該模型間接研究原型的方法。典型實驗就是電學部分“電場中等勢線的描繪”，由于直接描繪靜電場的等勢線很困難，而恒定電流的電場與靜電場相似，因此用恒定電流的電場模擬靜電場中等勢線的分布情況；電場線可以形象地描述電場的分布，形狀通過實驗來模擬；還有磁場線、鐵棒的磁化和退磁、布朗運動等都是模擬的例子。
五、控制變量法
一個物理量或現象往往受很多因素的影響。保持其他因素不變，研究某一因素與該物理量的關系，稱之為控制變量法。如在“探究加速度與力、質量的關系”實驗中，先保持物體質量不變，分析加速度與力的關系，再保持力不變，分析加速度與質量的關系。最后綜合分析得出它們之間的關系?！坝绊戨姾砷g作用力的因素”、“探究導體電阻與其他因素的關系”實驗也用到了該實驗思想。
六、圖像法
將物理量間的代數關系用圖像方式來表示，可清晰描述物理量之間的動態變化過程，把物理量之間的相互依賴關系（線性關系、周期性等）形象直觀地呈現出來，能產生一般計算法所不能得到的效果。在振動和波的這部分內容中圖像法是主角。簡諧振動通過圖像來描述單個質點位移隨時間的變化關系，簡諧波也是運用圖像來描述不同質點在同一時刻偏離平衡位置的位移；在“探究小車速度隨時間的變化”、“測繪小燈泡伏安特性曲線”實驗中都運用了此方法來處理數據。
七、放大法
為了提高測量精度，把物理量的數值變大、作用時間延長、作用空間擴展的方法叫做放大法。對象不同，放大時所使用的方法也各異。螺旋測微計、讀數顯微鏡等測量儀器的機械部分都是采用螺旋測微裝置進行的，螺旋測微計就是把沿軸線方向微小移動量用可動尺上較大的旋轉量表示出來；庫倫扭秤實驗中運用了兩次放大：一方面微小的力通過較長的力臂可以產生較大的力矩，使懸絲產生一定角度的扭轉，另一方面在懸絲上固定一平面鏡，它可以把入射光線反射到刻度尺上，通過反射光線射到刻度尺上的光點移動，就可把懸絲的微小扭轉顯現出來。將微小形變放大的具體應用還有卡文迪許引力實驗等。
八、留跡法
利用特殊手段把一些轉瞬即逝的現象記錄下來可便于研究。在動力學實驗中，利用打點計時器在紙帶上留下的點跡來記錄小車或重物在不同時刻對應的位置，通過分析點跡計算得出實驗結果?！坝么螯c計時器測速度”、“探究小車速度隨時間變化的規律”、“探究加速度與力、質量的關系”等實驗都用到此方法。另外，用頻閃照相機記錄自由落體或平拋運動中小球的軌跡；在“電場中等勢線的描繪”實驗中，用探針通過復寫紙在白紙上留下的痕跡記錄等勢點的位置，這些都是留跡法在實驗中的巧妙應用。
總之，在新課程改革的環境中，我們必須摒棄“實驗不重要、干講比實做好、用動畫代替真實實驗”等錯誤的觀念，進一步重視落實實驗教學的創新和實驗儀器的配備，深刻領悟真實實驗中的思想方法，這樣才能全面促進實驗教學的開展，更好地為學生服務。
參考文獻：
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［2］靳玉峰.關于高中物理實驗教學的思考［J］.基礎教育，2010，（10）.
靜電場的描繪范文3
通過定性分析等量同種、異種電荷周圍各特殊區域?、E的變化情況，然后根據變化情況作出 -x、E-x圖象；利用點電荷周圍場強、電勢公式E=kqr2、 =kqr定量寫出各特殊區域任意處?、E的表達式，然后根據表達式畫出函數圖象，當然對于一些較難的表達式在高中階段無法作出其圖象，就可以借助excel軟件的作圖功能.此時作出的圖象可以回過去驗證通過定性分析作出的圖象正確與否.
2準確繪圖
2.1等量同種正電荷周圍場強分布(圖1)
2.2等量同種正電荷周圍電勢分布(圖2)
2.3等量同種負電荷周圍場強分布(圖3)
2.4等量同種負電荷周圍電勢分布(圖4)
2.5等量異種電荷周圍場強分布：(左正電荷、右負電荷)(圖5)
2.6等量異種電荷周圍電勢分布：(左正電荷、右負電荷)(圖6)
對于作出的圖象在連線各區域、中垂線的場強、電勢對空間位置的具體變化情況不再詳細敘述.
3分析圖象
-x、E-x圖象準確的反映了電勢?、场强E隨空間位置的變化情況； -x圖象的切線斜率反映了切點處場強的大小(滲透微元法E=嚙膞，膞0)，電勢齙腦黽蹩梢 形象描繪出電場線的指向分布；E-x圖象的面積反映了在空間某范圍內的電勢差，利用E的正、負也可以形象描繪出電場線的指向分布.
4應用圖象還原物理模型
例1(2010年江蘇物理試題5)空間有一沿x軸對稱分布的電場，其電場強度E隨x變化的圖象如圖7所示.下列說法正確的是
A.O點的電勢最低
B.x2點的電勢最高
C.x1和-x1兩點的電勢相等
D.x1和x3兩點的電勢相等
解析解析此題可以利用等量同種正電荷、負電荷中垂線上場強隨x分布的情況來處理.O點電勢最低(等量同種負電荷)、O點電勢最高(等量同種正電荷)，所以A錯誤.容易判斷x2點的場強E最大，不是電勢最高或者最低，所以B錯誤.x1和-x1關于O點對稱，所以x1和-x1電勢相等.C正確.x1和x3兩點場強E相等.x1和x3兩點電勢無法判斷.所以D錯誤.
答案C
點評如果熟悉等量同種電荷(正、負都可以)的場強空間分布情況；就很容易把E-x圖象與實際的熟悉的物理模型聯系起來，判斷起來更為方便.
例2(2009年江蘇物理試題8)空間某一靜電場的電勢鱸趚軸上分布如圖8所示，x軸上兩點B、C點電場強度在x方向上的分量分別是EBx、ECx，下列說法中正確的有
A.EBx的大小大于ECx的大小
B.EBx的方向沿x軸正方向
C.電荷在O點受到的電場力在x方向上的分量最大
D.負電荷沿x軸從B移到C的過程中，電場力先做正功，后做負功
解析利用 -x圖象中斜率的絕對值反映了場強E的大小，A正確.C錯誤.通過電勢的高低畫出電場線的指向，x軸正方向電場線沿x軸正方向；x軸負方向電場線沿x軸負方向電場線,B錯誤.D容易判斷是正確的.
答案A、D
點評也可把 -x圖象還原為等量同種正電荷連線的中垂線上的電勢分布情況；進而研究等量同種正電荷連線的中垂線上的場強的分布情況等等.
例3(2011年上海高考題14題)兩個等量異種點電荷位于x軸上，相對原點對稱分布，正確描述電勢鏊恢脁變化規律的是圖9中的解析此題直接利用上述等量異種點電荷連線上 -x分布情況.
答案A
5總結規律
靜電場的描繪范文4
【關鍵詞】GEM;有限元計算;電子倍增
引言
Gas Electron Multiplier（GEM――氣體電子倍增器）是Fabio Sauli在1997年于CERN發明研制的，屬于新型的微結構氣體探測器。其獨特的電極結構和探測器幾何設置，使得GEM具有高計數率、高位置分辨以及高穩定性等優越性能。作為新型氣體微結構探測器，它現已成為目前國際上幾個大型實驗設備建造或升級的重要部分。
典型的單層GEM探測器示意圖如圖1所示，它包括陰極層（Cathode）、漂移區（Drift Gap）、倍增區（GEM Foil）、收集區（Induction Gap）和讀出陽極（Anode）。
圖1 典型的GEM探測器工作示意圖
整個探測器外層為一個僅有工作氣體流通的密閉腔室，腔室頂部為探測器窗口和陰極層;中間是粒子倍增放大的GEM膜部分;最底端是收集極（陽極），各個區之間的固定距離由環氧樹脂層作為間隔。流氣系統通過氣管從相對兩側進出腔室，作為供電子雪崩的工作介質。GEM膜是一種“三明治”結構，中間的基板是一層厚度為50μm的絕緣介質聚酰亞胺，兩面鍍上5-10μm的銅層。標準GEM（注：區別于厚GEM――“ThGEM”）膜的制作工藝類似于PCB柔性電路板的制作流程，經過掩膜、曝光、顯影、去膠和化學蝕刻工藝，最后可以蝕刻出正六邊形排列的，孔徑為70μm、孔間距為140μm的規則微孔。當有入射粒子進入漂移區后，一定能量的入射粒子會與漂移區的工作氣體碰撞發生初級電離，電離后的正離子和電子在電場力的作用下分別被牽引到兩側。對于漂移區電離的電子，GEM膜上面的規則排列的微孔作為這些電子倍增的通道。通過在膜兩側銅層上施加合適的電壓（300-500V），在孔的區域會產生一個非常高的電場。在這個區域，電子會獲得足夠高的能量達到雪崩閾值，發生電子雪崩，這也是產生增益的來源。單層GEM膜的增益可達1000。
氣體探測器工作原理的核心正是電極電場分布。入射粒子與工作氣體相互作用發生初級電離后，是電場將產生的初級及次級電子牽引進GEM孔內進行雪崩放大的，也是電場將倍增后的電子牽引收集到收集極上產生信號的。一個探測器性能如何，首先考察的便是該探測器的電極結構和電場分布情況。合理的電極結構可以產生巧妙的電場分布，而巧妙的電場分布便可以使探測器具備粒子探測、信號讀出的功能。對于GEM探測器來說，它與其它微結構氣體探測器相比，最大的優勢就在于其氣體雪崩放大發生在GEM膜的微孔道中，而非陰陽極條間。GEM這種獨特的電極結構使得電子放大階段和信號讀出階段是分開的，不存在其它微結構氣體探測器中讀出電極在放電過程中遭到損壞的問題，而且能同樣的達到高分辨率和氣體增益。
GEM探測器的幾何結構，包括膜上的孔徑、孔型和孔間距這些參數選取對探測器制作以及達到探測器良好性能指標來講十分重要。
1.GEM膜孔徑大小對探測器性能影響
為了獲得足夠高的增益，倍增區域的電場線強度必須足夠高（10kV/cm），這可以通過增加GEM兩側的電壓差或者是減小孔徑大小來實現。從圖2可以看到在相同條件下GEM有效增益與孔徑之間的關系曲線。在孔徑小于70μm區域，探測器有效增益趨于飽和。分析其原因是因為隨著孔徑減小，孔間電場增加，但由于電子橫向擴散或孔面積減小等原因，電子的透過率也相應減小，所以在小孔徑范圍內有效增益飽和。因此，標準的GEM膜孔徑在70μm左右，同時這一飽和效應也使得探測器有效增益對GEM膜制作工藝精度依賴性減小。
圖2 GEM有效增益與孔徑大小關系曲線
（其中工作氣體為Ar/CO2（7：3））
2.GEM膜孔幾何形狀大小對探測器性能影響
GEM孔形狀依賴于GEM膜的制作工藝，目前常見的孔形狀為中間50μm膜兩側70μm的雙錐形。成雙錐形的原因是雙面蝕刻過程中堿刻液對聚酰亞胺的蝕刻是各向同性質的，聚酰亞胺溶解在蝕刻液中，在徑向和橫向方向上形成對稱的圓錐形孔結構。孔的結構同樣與蝕刻的時間長短有關，隨著蝕刻進行，雙錐孔形狀會趨于圓柱型結構。
但是雙面蝕刻工藝要求膜的上下兩側孔圖案盡量對正，如果發生大的偏移蝕刻后會形成斜的孔型，嚴重影響電子的倍增過程，會有大量電子直接沉積在聚酰亞胺表面。有實驗表明超過40cm×40cm的GEM膜實現手工對正掩膜板孔圖案已經很難實現。因此后續發展出一種簡便方法是單面蝕刻工藝，避免了掩膜板不精確對正產生的次品GEM膜，這種方法制成的孔是單錐形孔，孔的上下兩側孔徑不同。
總結來說，目前根據GEM膜制作工藝的不同，GEM孔的幾何結構目前可分為四種類型：單錐孔、單倒錐孔、雙錐孔和圓柱孔。其中單錐型GEM和單倒錐型GEM的GEM膜制作工藝相同，只是在探測器靈敏區的放置方式相反。四種孔型的幾何形狀及相關參數見圖3所示。在相同的探測器電壓設置下，不同的GEM孔幾何結構必定會帶來孔區域電場分布的不同，電場分布的差異，又能夠引起相應的探測器性能，比如氣體增益、雪崩電子或正離子漂移擴散、沉積位置等的不同，直接造成探測器物理性能上的差異。模擬計算不同GEM孔幾何結構的孔區域電場分布對于比較和理解探測器工作性能十分重要。
圖3 4種不同的GEM孔型
圖4 GEM幾何建模及各區域電場強度設置
圖5 Maxwell 2D計算的孔中心線電場分布
圖6 Maxwell 2D計算的孔中心線電場分布
下面是采用有限元算法電場計算軟件Ansys Maxwell 2D/3D（二維/三維），分別在相同的電壓設置下，對四種不同幾何的GEM孔區域電場分布進行計算。Ansys Maxwell靜電場計算的主要步驟如下：首先選擇求解器的類型（靜電場求解器，滿足Maxwell方程組）-->對探測器進行幾何建模-->設定材料性質（電導率、介電常數等，利用軟件內建材料庫）-->添加激勵源（即在相應的電極幾何上添加電壓源）-->添加邊界條件（對稱性邊界）-->設定求解區域（求解區域的設立也限制了邊界條件）-->劃分網格（Ansys Maxwell采用自適應網格剖分方法，自適應網格剖分方法在幾何結構突變處、計算場量變化較大處，將剖分的網格進行優化加密，其他平緩或較快達到收斂的區域網格劃分稀疏，這樣既保證計算精度，也同時兼顧了計算速度。）-->進行后處理，得出需要的計算結果。
我們選取垂直穿過孔的中心線作為分析比較的參考線，中心線垂直經過孔的中心，在GEM膜上下兩側分別延伸150μm。計算此中心線上的場強分布可以反應場強由漂移區進入GEM孔再到收集區的變化趨勢，對于我們理解GEM探測器的工作方式十分有效。圖4為各區域電場設置情況。圖5和圖6分別是Maxwell 2D和3D計算得到的GEM孔中心線上的電場分布計算結果。
2D與3D計算結果的一致性：
（1）孔區域的電場強度都在20kV/cm以上，大于電子的雪崩閾值。
（2）孔中心處場強值由大到小依次是單（倒）錐孔>圓柱孔>雙錐孔。
靜電場的描繪范文5
【關鍵詞】物理教學；隨堂演示實驗；教學實踐
大學物理是我校工科類學生必修的一門基礎課，理論教學模式仍然是講授為主，即教師描繪物理現象，理論分析，演繹推導，得出結論。對于比較抽象的概念和規律的解釋，教師感到困難費勁，學生聽起來也是糊涂不解，課堂氣氛沉悶，二者課堂上都覺得疲勞，難以達到良好的教學效果。物理知識理論是建立在實驗基礎上的，物理的理論教學活動中加入演示實驗環節，更利于學生的學習，有助于教學質量的提高。然而對隨堂演示實驗的看法，很多教師認為是中學物理教學中應有的，而大學物理教學應注重理論推導、形象邏輯思維培養，況且課時少，沒必要也沒時間做隨堂演示實驗。
通過網絡我們有機會觀賞到一些國外名校公開課，例如麻省理工的物理課，發現幾乎每節課教師都要做幾個演示實驗，演示內容之豐富，給人留下深刻的印象。正值本校的大學物理教學改革之際，我們做了許多改變，其中包括在課堂上加入演示實驗的實踐，取得了明顯的教學效果。隨堂演示實驗可以化抽象為具體、化深奧為簡單，使模糊的東西變得清晰、枯燥的內容變得生動，刺激學生的感官，吸引注意力，提高了物理理論教學效率。以下是關于演示實驗實踐的簡單總結。
一、形象生動的演示實驗，使模糊的東西變得清晰
演示實驗說明不確定度的重要性。學生對“不確定度”概念是模糊、不習慣的，認為是可有可無的，隨堂用實物來演示炮彈的真實運動情形，可改變學生一些觀念，加深對概念的理解。問題：與水平夾角α=45，以初速度v=7m/s射出炮彈，炮彈會落在何處？學生根據拋體運動規律的射程公式，很快得出x=5m，所以給出炮彈落在5m處的答案。
然后開始做演示實驗，結果是：第一次落在4.9米處，第二次落在5.2米處，實際發射的炮彈并沒有正好落在5m地方。難道是物理理論錯了？顯然不是的。正確的解釋是因為初速度和發射角度有2%的偏差，導致射程有4%的誤差，即與5m處有±0.2m的偏差，所以正確的理論預計應x=（5.0±0.2）m。顯然，在從理論公式出發對結果做預測時，不考慮不確定成分是不行的。演示實驗很簡單但非常深刻，學生明白了不確定度部分是非常重要的，缺少不確定度的實驗結果是沒有意義的。
二、形象生動的演示實驗使深奧的概念變為簡單
法拉第電磁感應定律是從一匝線圈的磁通量的變化率來引入的，對一匝線圈的磁通量的變化的理解比較容易，但如果N匝線圈產生的電動勢是一匝線圈產生的電動勢的N倍，用磁通量的概念解釋真的難以理解，可以通過課堂演示來證明。將柔軟閉合回路（線圈）繞在螺線管外面，形成一圈，接通或斷開螺線管電流瞬間，觀察電流計指針偏轉幅度。然后將柔軟導線環繞螺線管三圈，將會看到電流計指針偏轉幅度增大到3倍，說明N匝線圈產生的電動勢是單匝線圈產生電動勢的N倍。
也可用演示實驗來驗證理論推導結果。由靜電場高斯定理可推導出均勻帶電球殼內部的電場強度E=0，結果不可思議，對這樣的結果學生不易想象，記住更不容易。期末考試總有同樣的填空題，以前給出正確答案的學生不到一半。此后，隨堂做了這個演示實驗后（帶電小球伸進球殼的空腔內），學生親眼見到帶電體沒有受到靜電力作用，證明球殼內沒有電場，對此記憶很深刻，期末考試還是同一個填空題，答對率占75%，由此可見演示實驗的重要作用。
三、隨堂演示實驗可以化抽象為具體
質點簡諧振動與勻速圓周運動的關系比較抽象。但是利用演示實驗能親眼看到勻速圓周運動的質點在直徑上的投影運動就是簡諧運動。利用輕質彈簧振子，電機帶動一小球旋轉，轉動角速度大小等于振子的固有角頻率大小，會看到勻速運動小球在振子振動方向的投影運動與彈簧振子的振動幾乎是一致的。簡諧運動中的相位概念不直觀，較難理解，而角位置直觀易懂，演示將二者聯系起來，有助于學生對相位概念的正確認識和理解。同時明白了物理中為什么角頻率和角速度兩個完全不同的概念要用同一個符號來表示的道理。
楊氏雙縫的隨堂演示，使學生對雙縫間距和觀察屏間的距離有感性認識，對干涉條紋的樣式，條紋位置與出現的區域，條紋間距的影響，光程變化與條紋變化的關系等通過演示一目了然。
另外，我們還采用多媒體教學手段，以及實驗錄像播放等手段，為學生創造了多種教學手段并存的氛圍來吸引學生的注意力，激發學生學習的興趣，提高課堂效率。
教學實踐表明，物理難學是因為概念抽象，難以想象造成的。演示實驗可以彌補理論教學上的不足，及時地將教師在課堂上所講授的內容，通過演示實驗直觀、形象地呈現出來，能收到事半功倍的教學效果。在物理教學中增加隨堂演示實驗，使學生盡可能地直接觀察、經歷體驗物理過程，對于促進學生理解物理概念、掌握物理規律有著十分重要的作用。同時能激發學生學習物理的興趣，培養學生觀察能力、分析問題與解決問題能力。
【參考文獻】
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靜電場的描繪范文6
本文以數字集成電路為核心，設計能夠實現智能控制的半導體激光器電源。
半導體激光器LD工作影響因素
半導體激光器的核心是PN結一旦被擊穿或諧振腔面部分遭到破壞，則無法產生非平衡載流子和輻射復合，視其破壞程度而表現為激光器輸出降低或失效。
造成LD損壞的原因主要為腔面污染和浪涌擊穿。腔面污染可通過凈化工作環境來解決，而更多的損壞緣于浪涌擊穿。浪涌會產生半導體激光器PN結損傷或擊穿，其產生原因是多方面的，包括：①電源開關瞬間電流；②電網中其它用電裝備起停機；③雷電；④強的靜電場等。實際工作環境下的高壓、靜電、浪涌沖擊等因素將造成LD的損壞或使用壽命縮短，因此必須采取措施加以防護。
傳統激光器電源是用純硬件電路實現的，采用模擬控制方式，雖然也能較好的驅動激光，但無法實現精確控制，在很多工業應用中降低了精度和自動化程度，也限制了激光的應用。使用單片機對激光電源進行控制，能簡化激光電源的硬件結構，有效地解決半導體激光器工作的準確、穩定和可靠性等問題。隨著大規模集成電路技術的迅速發展，采用適合LD的芯片可使電源可靠性得到極大提高。
系統設計
系統框圖見圖1。主要由以下幾部分構成。
?供電電源：實現系統供電電壓(交流220V)與系統工作電壓之間的轉換。并采用濾波技術，使得半導體激光器工作的電壓紋波很小，保證半導體激光器的正常工作。
?智能控制：主要由CPU來完成。LD電源工作在恒流模式下，設定電流后，CPU根據傳感器采樣的電流信號值，經過一定的算法后將輸出電壓經過運放電路送到激光器驅動芯片的反饋引腳，進行自動調節以達到設定的電流輸出，實現激光器的智能化。 ?保護電路：半導體激光器驅動系統必須配備保護電路。保護電路將減小LD實際運用中受到的外界影響，增強了系統的可靠性。這部分主要包括過溫保護、過流保護、浪涌保護等電路。
硬件電路
設計電源在連續模式下輸出電流0～1.5A連續可調，具有很高的電流穩定度和很小的紋波系數，滿足中小功率LD所要求的分辨率、穩定性和噪聲性能。
恒流源電路
LD供電電路是一個恒流源(見圖2)。ETC公司恒流源驅動芯片HY6340為核心元件。供電電壓VEE的穩定對輸出恒流信號的穩定起著重要作用，因此采用多重濾波技術，將VEE的紋波控制在1mV以下，保證HY6340芯片輸出端12、13、14引腳信號的穩定。調節5引腳和6引腳到VEE之間的電壓可以分別設定過流保護閥值和過溫保護值。在恒定電流工作方式下，通過調節21引腳的輸出電平來控制輸出電流的大小在0-1.5A之間連續可調。
處理單元
選用Silicon公司的C8051F020為數字處理單元。在掃描按鍵功能實現中使用了CH451，芯片內置去抖功能和鍵盤中斷功能?？梢怨澥纹瑱C的內部運行時間，確保按鍵讀取的準確性。
電路
為實現調制信號輸出電壓的獨立可調，在輸出端添加了兩級輸出運放U14A和U14B?？紤]到帶寬要求所以放大器選用Maxim公司的高速運放MAX4215。利用高速運算放大器組成減法電路，使得輸出信號由原來的對稱于地電位的2Vp―p變為以2.5V電壓為中心的2vp-p。當需要外接調制電路時則啟動核心單元控制繼電器，從而達到內置調制電路和外接調制源之間的轉換。
軟件設計
軟件采用c51編寫程序，包括主程序和中斷響應程序部分。
主程序主要是實現軟啟動、慢關機和控制發火。在系統啟動時，初始化系統后進入人機對話界面，掃描是否有按鍵按下，若有則調用按鍵處理程序，操作者可通過鍵盤設定輸出電流輸出電壓基準值，同時顯示，以便確認。開始工作，通過緩慢增加電壓的方式來實現系統的軟啟動，保護LD。正常工作時，硬件電路中采樣電流信號，從數模轉換電路出來的信號經過采樣電阻，得到相應的電壓信號，傳給單片機，送出顯示。若出現電流波動情況則進行PID控制，其中采用了中值與均值復合濾波方法處理。系統對D／A輸出信號調整，進而調整輸出電流。主程序中的循環部分不斷探測LD的工作電流、工作溫度和發射功率，并顯示出來以便查看。如果出現故障，中斷信號送入單片機端口(分別相應過壓、過流、突然斷電情況)，系統分別調用中斷程序實現對系統的快速保護。主要控制功能均利用中斷實現，保證系統響應的實時性。最后當操作者按下按鍵關閉設備時，系統調用慢關閉程序，安全地停止工作。
數字濾波
對系統干擾作用的沖擊信號往往具有較寬頻譜，且具有隨機性。對此，系統采用了軟件方法對采樣信號進行了數字平滑濾波。通過對信號進行處理，減少干擾對有用成分的作用。常見數字濾波的方法有中值濾波、均值濾波等。將中值濾波與均值濾波方法結合，構造一種復合濾波方法，具體做法是：首先對樣本信號排序，去掉其中的最大值和最小值，再對余下數據組成的序列計算均值作為濾波結果，這樣既可濾除沖擊干擾又保留了有用信號成分。
保護設置
軟啟動和慢關機：系統的啟動或關閉均由啟動／停機鍵控制。如果判斷為開機。則命令LD驅動芯片預熱工作，再逐漸增大工作電流至設定值，實現軟啟動。如果判斷為關閉，則逐漸降低工作電流直到零，實現侵關機。
電流過載保護：程序設定或通過鍵盤確定電流值上限值，CPU通過控制數字電位器調節激光驅動芯片PIN21的電壓并檢測電流，保證流經LD的電流的穩定，防止出現過流而損，壞LD。實時比較電流設定值和采樣值，當實際值大于上限時，系統啟動限流保護動作。
測試結果
根據設計制作了數字式電源，連接現有的實驗室用的半導體激光器，進行性能測試。
開機后激光器預熱半小時，通過軟件設定方式調節激光器的工作電流至1.5A，激光器啟動系統運行，工作電流平穩上升達到1.5A，動態響應時間在1.5～2s之間。系統輸出電流為1.5A，連續工作4小時，每間隔10分鐘記錄1次電流，按照時間排列測試次序和相應的電流值。測試結果數據描繪曲線見圖3。結果表明系統的控制電流穩定，誤差小。測試結束后關閉激光器，系統逐步減小輸出電壓信號，降低輸出功率至零后激光器停止工作。結果表明，采用數字控制方案的電源達到激光器的穩態精度要求。