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电磁学

电势与电压

探究平行板间的匀强电场,测量 E=∣ΔV∣/dE = |\Delta V|/d,并追踪试探电荷的电势能 U=qV(x)U = qV(x) 随位置的变化。

高中

器材

  • 保持 +V 与 0 V 电势差的虚拟平行板
  • “电压”“板间距”“试探电荷”滑块
  • 能量图上的“电荷位置”滑块
  • 显示等势面与电场箭头并给出 E 读数的 3D 画布

实验步骤

  1. 测量两板间的电场强度

    在图1中把“电压”设为50 V,再把“板间距”从0.30 m拖到1.00 m。读取“E = |ΔV|/d = …”一行并在两个间距下记录 E;验证 E=∣ΔV∣/dE = |\Delta V|/d,注意等势面保持平行并与电场箭头垂直。拖动画布从其他角度观察等势面。

  2. 追踪势能随位置的变化

    在图2中把“电荷位置”从0%拖到100%,读取“U = qV = …”;U(x) 图线从正极板到0 V板线性下降。把“试探电荷”从2 nC改为5 nC再比较:势能按 U=qVU = qV 与电荷成正比,而 V(x) 不变,因为它只由电场决定。

  3. 判断电场方向并做出预测

    观察电场箭头从 +V 板指向 0 V 板:自由正电荷将沿此方向运动,势能减少而动能增加。在把“电压”改为100 V之前,先预测当前间距下的 E,再与读数核对;将预测与 E=∣ΔV∣/dE = |\Delta V|/d 比较。

模拟

实验历史

约1780年,路易吉·伽伐尼发现蛙腿接触两种不同金属时会抽搐;亚历山德罗·伏打认为这种效应来自金属本身而非动物组织。1800年,伏打发表了由锌片和铜片间隔盐水浸布叠成的电堆——第一个能持续维持电势差的电源,电压单位“伏特”后来以他的名字命名。电势概念在十九世纪逐渐成熟,因为物理学家希望用独立于测量电荷的方式来描述能量。 法拉第在《电学实验研究》中描述了带电体周围的电场与力线,并指出电场由高电势指向低电势——这正是平行板间匀强电场关系 E=∣ΔV∣/dE = |\Delta V|/d 的前身。麦克斯韦随后在《电学与磁学通论》(1873年)中将这些观察写成数学形式,使电势与电场成为同一静电体系的两种等价描述。

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