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静电场的描绘范文1
静电场描：绘实验是高等院校普遍开设的一个基本的电磁学实验，因为直接测量静电场会因测量仪器的介入导致原静电场发生畸变而对其测量带来很大的困难，而稳恒电流场在导体中的分布规律和真空中静电场电势的分布规律完全相似。因此，通常是用稳恒电流场来模拟静电场，称这种方法为模拟法描绘静电场。
传统的静：电场描绘实验装置中，电极之问的导电介质通常用导电纸。目前，也有不少装置采用水来代替导电纸，但这两种方法均存在一系列的缺陷，导致描绘误差太大，严重影响了实验的效果。
针对以上两种介质存在的问题，我们对静电场描绘仪作了改进：以镀有ITO膜的导电玻璃作为电极之间的导电介质，采用双层探针直接记录各等势点坐标，通过描点的方法来描绘电场。我们对改进后的静电场描绘仪进行反复试验，效果很理想。
一、理论依据
导电介质中稳恒电流场和真空中静电场的电势都满足拉普拉斯方程。给定边值的拉普拉斯方程有唯一解，如果这两种处于相同的边值条件下，则它们的解是相同的。因而，可以用均匀导电介质中的电流场来模拟真空中具有相应分布的静电场。
两个通以稳恒电流的同心圆环电极可以用来模拟两个带等量异号电荷的无限长同轴圆柱面问的电场分布。很容易证明在这种情况下有式中a，b分别为内外圆环电极的半径，Ua为两极间的电势差，u为稳恒电流场中距圆心r处的电势。
二、传统的描绘仪及其存在的缺陷
传统的静电场描绘仪如图所示，一般有两种做法一种是采用涂有石墨的导电纸作为电介质，通过探针和定位针，实现定量记录和数据分析，另一种是用水来代替导电纸作电介质，方法是在一个透明的有机玻璃水槽中固定电极，然后在水槽中装上适量的水，放到实验架的下层进行实验。
1．前一种描绘仪存在的缺陷
(1)导电纸上导电薄层涂得不均匀，导电纸电阻在各个方向均匀性较差，这样电流场分布与被模拟静电场分布不完全一样，使得实验准确度，重复性较差。
(2)电极与导电纸的接触不均匀以及探针与导电纸的接触因人次数而异，使得接触电阻不稳定，影响描绘结果。
(3)测量时，探针在导电纸点接触移动且重复接触，使得导电纸破损，这样一方面直接影响导电纸的导电性能，影响实验效果，另一方面影响导电纸的使用寿命，频繁更换导电纸，加大实验成本。
由于存在这些缺陷，所以用此描绘仪测得的结果误差比较大，模拟静电场的效果不是很理想。是用一张全新的导电纸作为电介质模拟的结果。若为反复使用过的导电纸，误差更大。
2．后一种描绘仪存在的缺陷
以水作为电介质可以减少导电纸电介质的不足，但由于水自身的特点，不可避免存在以下的缺陷：
(1)水是弱电解质，在外加直流电源的作用下，电解产生氢气和氧气，这些气体以气泡的形式附在电极表面。这样，一方面使得内、外电极表面区域偏离模拟条件，另一方面氧气会使阳极表面氧化，覆盖在电极上的氧化层与水的电阻率不同，影响模拟效果。再者，未电解的离子也会产生与外电压方向相反的电压来破坏模拟条件。
(2)水是有极分子，在外电场作用下产生位移极化和取向极化。两种极化都使得内外电极表面出现束缚电荷，束缚电荷要在水介质内产生与外电场方向相反的附加电场，因此破坏了模拟条件。
(3)每次实验都要更换水槽中的水，且水槽中水的多少还影响模拟的效果，这样给学生实验带来极大的不方便。
因此，用水作为电介质来做这个实验也不是很理想。
三、改进的描绘仪及其优点
针对上述传统描绘仪的缺陷，我们对传统静电场描绘仪作了一些改进。我们的做法是选用合适的镀有ITO膜的导电玻璃来代替传统的导电纸或水，将其作为两电极问的电介质。我们选用的这种电介质和传统的两种电介质相比，至少具有以下优点：
1．ITO膜导电层是采用真空镀膜技术形成的，表面均匀性和电阻均匀度均较好，模拟条件良好，提高了实验的准确性。
2．ITO膜导电层耐磨性好，不会因为和探针的反复接触而被破坏，这样既提高了实验的可重复性，又避免了频繁更换实验耗材，延长了仪器的使用寿命，节约了实验成本。
3．用ITO膜的导电玻璃代替水作为电介质，可以完全克服水的缺点，达到最佳的模拟条件。
静电场的描绘范文2
关键词： 新课程改革 物理实验教学 思想方法
物理是一门以实验为基础的学科，许多物理概念、现象、规律都是通过实验发现总结出来的。因此，在平时的教学中应培养学生的实验意识，搞好实验课教学，通过实验再现客观世界，探究验证其中的规律。这样，既能真实有效地帮助学生认识物理现象和周围世界，掌握物理知识，又能激发学生的学习兴趣和创新意识，进一步提高学生发现问题、提出问题和解决问题的能力。下面就物理实验教学中常见的思想方法进行归纳。
一、理想化法
理想化法是中学物理课本中研究物理现象和规律最基本、最广泛的方法，在研究的过程中假设一些理想条件或忽略某些次要因素，突出本质因素，从而得到与实际情况近似的合理结果。
其一般包括两个方面：理想化实验和理想化模型。理想化实验是在真实实验的基础上，通过对条件进行理想化处理，进一步得出更本质的结论，是一种假想实验或思想上的实验，不能用真实实验直接探究或验证。例如伽利略论证惯性定律所设想的实验就是物理学史上著名的理想实验，其认为若没有摩擦阻力，从斜面滚下的小球将在无限长的水平面上永远运动下去。理想化模型可以说已经渗透到了课本中，尤其在实验中常常用来代替客观原型。实验“探究单摆周期与摆长的关系”，单摆就是实际摆的理想化模型，实验过程中也采用了理想化处理，假设悬线不可伸长，悬点的摩擦和小球摆动过程中空气阻力不计，等等；电学实验中把电压表看作内阻无穷大的理想电压表，把电流表看作内阻为零的理想电流表；运动学中的质点、自由落体运动、匀速直线运动，机械振动中的弹簧振子，静电场中的点电荷、试探电荷、匀强电场等都进行了理想化处理。
二、等效替代法
等效替代法是物理实验中常用的研究方法，是把一些复杂问题用简单的或已经解决的问题来代替，但不会改变物理效果。比如“探究求合力的方法”实验，先用两个互成角度的力拉橡皮条，再用一个力代替这两个力使橡皮条伸长相同的长度，两种情况下作用效果相同，是一种等效替代，把这一个力称为另外两个力的合力；“碰撞中的动量守恒”实验，把小球水平速度的测量等效地转化为水平位移，这种方法直观明了，大大地简化了实验过程。
三、累积法
实验中一些微小量用常规仪器难以直接准确测量，将其累积变大量测量的方法为累积法。例如“探究单摆周期与摆长关系”实验，用秒表直接测量单摆做一次全振动的时间T，误差很大，这时，可测量多次（30―50次）全振动的时间t，那么，单摆的周期T=t/n（n为全振动次数）。这种方法可提高测量准确度，减小实验相对误差。在“测定金属电阻率”的实验中，除了用螺旋测微器直接测量金属丝直径外，还可将金属丝密绕在铅笔上，由线圈的排列长度除以圈数得到金属丝直径。
四、模拟法
它是通过设计与物理现象或过程相似的模型，并利用该模型间接研究原型的方法。典型实验就是电学部分“电场中等势线的描绘”，由于直接描绘静电场的等势线很困难，而恒定电流的电场与静电场相似，因此用恒定电流的电场模拟静电场中等势线的分布情况；电场线可以形象地描述电场的分布，形状通过实验来模拟；还有磁场线、铁棒的磁化和退磁、布朗运动等都是模拟的例子。
五、控制变量法
一个物理量或现象往往受很多因素的影响。保持其他因素不变，研究某一因素与该物理量的关系，称之为控制变量法。如在“探究加速度与力、质量的关系”实验中，先保持物体质量不变，分析加速度与力的关系，再保持力不变，分析加速度与质量的关系。最后综合分析得出它们之间的关系。“影响电荷间作用力的因素”、“探究导体电阻与其他因素的关系”实验也用到了该实验思想。
六、图像法
将物理量间的代数关系用图像方式来表示，可清晰描述物理量之间的动态变化过程，把物理量之间的相互依赖关系（线性关系、周期性等）形象直观地呈现出来，能产生一般计算法所不能得到的效果。在振动和波的这部分内容中图像法是主角。简谐振动通过图像来描述单个质点位移随时间的变化关系，简谐波也是运用图像来描述不同质点在同一时刻偏离平衡位置的位移；在“探究小车速度随时间的变化”、“测绘小灯泡伏安特性曲线”实验中都运用了此方法来处理数据。
七、放大法
为了提高测量精度，把物理量的数值变大、作用时间延长、作用空间扩展的方法叫做放大法。对象不同，放大时所使用的方法也各异。螺旋测微计、读数显微镜等测量仪器的机械部分都是采用螺旋测微装置进行的，螺旋测微计就是把沿轴线方向微小移动量用可动尺上较大的旋转量表示出来；库伦扭秤实验中运用了两次放大：一方面微小的力通过较长的力臂可以产生较大的力矩，使悬丝产生一定角度的扭转，另一方面在悬丝上固定一平面镜，它可以把入射光线反射到刻度尺上，通过反射光线射到刻度尺上的光点移动，就可把悬丝的微小扭转显现出来。将微小形变放大的具体应用还有卡文迪许引力实验等。
八、留迹法
利用特殊手段把一些转瞬即逝的现象记录下来可便于研究。在动力学实验中，利用打点计时器在纸带上留下的点迹来记录小车或重物在不同时刻对应的位置，通过分析点迹计算得出实验结果。“用打点计时器测速度”、“探究小车速度随时间变化的规律”、“探究加速度与力、质量的关系”等实验都用到此方法。另外，用频闪照相机记录自由落体或平抛运动中小球的轨迹；在“电场中等势线的描绘”实验中，用探针通过复写纸在白纸上留下的痕迹记录等势点的位置，这些都是留迹法在实验中的巧妙应用。
总之，在新课程改革的环境中，我们必须摒弃“实验不重要、干讲比实做好、用动画代替真实实验”等错误的观念，进一步重视落实实验教学的创新和实验仪器的配备，深刻领悟真实实验中的思想方法，这样才能全面促进实验教学的开展，更好地为学生服务。
参考文献：
［1］邱会.浅谈高中物理实验教学的策略与方法［J］.数理化教学，2007，（7）.
［2］靳玉峰.关于高中物理实验教学的思考［J］.基础教育，2010，（10）.
静电场的描绘范文3
通过定性分析等量同种、异种电荷周围各特殊区域觥的变化情况，然后根据变化情况作出 -x、E-x图象；利用点电荷周围场强、电势公式E=kqr2、 =kqr定量写出各特殊区域任意处觥的表达式，然后根据表达式画出函数图象，当然对于一些较难的表达式在高中阶段无法作出其图象，就可以借助excel软件的作图功能.此时作出的图象可以回过去验证通过定性分析作出的图象正确与否.
2准确绘图
2.1等量同种正电荷周围场强分布(图1)
2.2等量同种正电荷周围电势分布(图2)
2.3等量同种负电荷周围场强分布(图3)
2.4等量同种负电荷周围电势分布(图4)
2.5等量异种电荷周围场强分布：(左正电荷、右负电荷)(图5)
2.6等量异种电荷周围电势分布：(左正电荷、右负电荷)(图6)
对于作出的图象在连线各区域、中垂线的场强、电势对空间位置的具体变化情况不再详细叙述.
3分析图象
-x、E-x图象准确的反映了电势觥⒊∏縀随空间位置的变化情况； -x图象的切线斜率反映了切点处场强的大小(渗透微元法E=啮膞，膞0)，电势龅脑黾蹩梢 形象描绘出电场线的指向分布；E-x图象的面积反映了在空间某范围内的电势差，利用E的正、负也可以形象描绘出电场线的指向分布.
4应用图象还原物理模型
例1(2010年江苏物理试题5)空间有一沿x轴对称分布的电场，其电场强度E随x变化的图象如图7所示.下列说法正确的是
A.O点的电势最低
B.x2点的电势最高
C.x1和-x1两点的电势相等
D.x1和x3两点的电势相等
解析解析此题可以利用等量同种正电荷、负电荷中垂线上场强随x分布的情况来处理.O点电势最低(等量同种负电荷)、O点电势最高(等量同种正电荷)，所以A错误.容易判断x2点的场强E最大，不是电势最高或者最低，所以B错误.x1和-x1关于O点对称，所以x1和-x1电势相等.C正确.x1和x3两点场强E相等.x1和x3两点电势无法判断.所以D错误.
答案C
点评如果熟悉等量同种电荷(正、负都可以)的场强空间分布情况；就很容易把E-x图象与实际的熟悉的物理模型联系起来，判断起来更为方便.
例2(2009年江苏物理试题8)空间某一静电场的电势鲈趚轴上分布如图8所示，x轴上两点B、C点电场强度在x方向上的分量分别是EBx、ECx，下列说法中正确的有
A.EBx的大小大于ECx的大小
B.EBx的方向沿x轴正方向
C.电荷在O点受到的电场力在x方向上的分量最大
D.负电荷沿x轴从B移到C的过程中，电场力先做正功，后做负功
解析利用 -x图象中斜率的绝对值反映了场强E的大小，A正确.C错误.通过电势的高低画出电场线的指向，x轴正方向电场线沿x轴正方向；x轴负方向电场线沿x轴负方向电场线,B错误.D容易判断是正确的.
答案A、D
点评也可把 -x图象还原为等量同种正电荷连线的中垂线上的电势分布情况；进而研究等量同种正电荷连线的中垂线上的场强的分布情况等等.
例3(2011年上海高考题14题)两个等量异种点电荷位于x轴上，相对原点对称分布，正确描述电势鏊恢脁变化规律的是图9中的解析此题直接利用上述等量异种点电荷连线上 -x分布情况.
答案A
5总结规律
静电场的描绘范文4
【关键词】GEM;有限元计算;电子倍增
引言
Gas Electron Multiplier（GEM――气体电子倍增器）是Fabio Sauli在1997年于CERN发明研制的，属于新型的微结构气体探测器。其独特的电极结构和探测器几何设置，使得GEM具有高计数率、高位置分辨以及高稳定性等优越性能。作为新型气体微结构探测器，它现已成为目前国际上几个大型实验设备建造或升级的重要部分。
典型的单层GEM探测器示意图如图1所示，它包括阴极层（Cathode）、漂移区（Drift Gap）、倍增区（GEM Foil）、收集区（Induction Gap）和读出阳极（Anode）。
图1 典型的GEM探测器工作示意图
整个探测器外层为一个仅有工作气体流通的密闭腔室，腔室顶部为探测器窗口和阴极层;中间是粒子倍增放大的GEM膜部分;最底端是收集极（阳极），各个区之间的固定距离由环氧树脂层作为间隔。流气系统通过气管从相对两侧进出腔室，作为供电子雪崩的工作介质。GEM膜是一种“三明治”结构，中间的基板是一层厚度为50μm的绝缘介质聚酰亚胺，两面镀上5-10μm的铜层。标准GEM（注：区别于厚GEM――“ThGEM”）膜的制作工艺类似于PCB柔性电路板的制作流程，经过掩膜、曝光、显影、去胶和化学蚀刻工艺，最后可以蚀刻出正六边形排列的，孔径为70μm、孔间距为140μm的规则微孔。当有入射粒子进入漂移区后，一定能量的入射粒子会与漂移区的工作气体碰撞发生初级电离，电离后的正离子和电子在电场力的作用下分别被牵引到两侧。对于漂移区电离的电子，GEM膜上面的规则排列的微孔作为这些电子倍增的通道。通过在膜两侧铜层上施加合适的电压（300-500V），在孔的区域会产生一个非常高的电场。在这个区域，电子会获得足够高的能量达到雪崩阈值，发生电子雪崩，这也是产生增益的来源。单层GEM膜的增益可达1000。
气体探测器工作原理的核心正是电极电场分布。入射粒子与工作气体相互作用发生初级电离后，是电场将产生的初级及次级电子牵引进GEM孔内进行雪崩放大的，也是电场将倍增后的电子牵引收集到收集极上产生信号的。一个探测器性能如何，首先考察的便是该探测器的电极结构和电场分布情况。合理的电极结构可以产生巧妙的电场分布，而巧妙的电场分布便可以使探测器具备粒子探测、信号读出的功能。对于GEM探测器来说，它与其它微结构气体探测器相比，最大的优势就在于其气体雪崩放大发生在GEM膜的微孔道中，而非阴阳极条间。GEM这种独特的电极结构使得电子放大阶段和信号读出阶段是分开的，不存在其它微结构气体探测器中读出电极在放电过程中遭到损坏的问题，而且能同样的达到高分辨率和气体增益。
GEM探测器的几何结构，包括膜上的孔径、孔型和孔间距这些参数选取对探测器制作以及达到探测器良好性能指标来讲十分重要。
1.GEM膜孔径大小对探测器性能影响
为了获得足够高的增益，倍增区域的电场线强度必须足够高（10kV/cm），这可以通过增加GEM两侧的电压差或者是减小孔径大小来实现。从图2可以看到在相同条件下GEM有效增益与孔径之间的关系曲线。在孔径小于70μm区域，探测器有效增益趋于饱和。分析其原因是因为随着孔径减小，孔间电场增加，但由于电子横向扩散或孔面积减小等原因，电子的透过率也相应减小，所以在小孔径范围内有效增益饱和。因此，标准的GEM膜孔径在70μm左右，同时这一饱和效应也使得探测器有效增益对GEM膜制作工艺精度依赖性减小。
图2 GEM有效增益与孔径大小关系曲线
（其中工作气体为Ar/CO2（7：3））
2.GEM膜孔几何形状大小对探测器性能影响
GEM孔形状依赖于GEM膜的制作工艺，目前常见的孔形状为中间50μm膜两侧70μm的双锥形。成双锥形的原因是双面蚀刻过程中碱刻液对聚酰亚胺的蚀刻是各向同性质的，聚酰亚胺溶解在蚀刻液中，在径向和横向方向上形成对称的圆锥形孔结构。孔的结构同样与蚀刻的时间长短有关，随着蚀刻进行，双锥孔形状会趋于圆柱型结构。
但是双面蚀刻工艺要求膜的上下两侧孔图案尽量对正，如果发生大的偏移蚀刻后会形成斜的孔型，严重影响电子的倍增过程，会有大量电子直接沉积在聚酰亚胺表面。有实验表明超过40cm×40cm的GEM膜实现手工对正掩膜板孔图案已经很难实现。因此后续发展出一种简便方法是单面蚀刻工艺，避免了掩膜板不精确对正产生的次品GEM膜，这种方法制成的孔是单锥形孔，孔的上下两侧孔径不同。
总结来说，目前根据GEM膜制作工艺的不同，GEM孔的几何结构目前可分为四种类型：单锥孔、单倒锥孔、双锥孔和圆柱孔。其中单锥型GEM和单倒锥型GEM的GEM膜制作工艺相同，只是在探测器灵敏区的放置方式相反。四种孔型的几何形状及相关参数见图3所示。在相同的探测器电压设置下，不同的GEM孔几何结构必定会带来孔区域电场分布的不同，电场分布的差异，又能够引起相应的探测器性能，比如气体增益、雪崩电子或正离子漂移扩散、沉积位置等的不同，直接造成探测器物理性能上的差异。模拟计算不同GEM孔几何结构的孔区域电场分布对于比较和理解探测器工作性能十分重要。
图3 4种不同的GEM孔型
图4 GEM几何建模及各区域电场强度设置
图5 Maxwell 2D计算的孔中心线电场分布
图6 Maxwell 2D计算的孔中心线电场分布
下面是采用有限元算法电场计算软件Ansys Maxwell 2D/3D（二维/三维），分别在相同的电压设置下，对四种不同几何的GEM孔区域电场分布进行计算。Ansys Maxwell静电场计算的主要步骤如下：首先选择求解器的类型（静电场求解器，满足Maxwell方程组）-->对探测器进行几何建模-->设定材料性质（电导率、介电常数等，利用软件内建材料库）-->添加激励源（即在相应的电极几何上添加电压源）-->添加边界条件（对称性边界）-->设定求解区域（求解区域的设立也限制了边界条件）-->划分网格（Ansys Maxwell采用自适应网格剖分方法，自适应网格剖分方法在几何结构突变处、计算场量变化较大处，将剖分的网格进行优化加密，其他平缓或较快达到收敛的区域网格划分稀疏，这样既保证计算精度，也同时兼顾了计算速度。）-->进行后处理，得出需要的计算结果。
我们选取垂直穿过孔的中心线作为分析比较的参考线，中心线垂直经过孔的中心，在GEM膜上下两侧分别延伸150μm。计算此中心线上的场强分布可以反应场强由漂移区进入GEM孔再到收集区的变化趋势，对于我们理解GEM探测器的工作方式十分有效。图4为各区域电场设置情况。图5和图6分别是Maxwell 2D和3D计算得到的GEM孔中心线上的电场分布计算结果。
2D与3D计算结果的一致性：
（1）孔区域的电场强度都在20kV/cm以上，大于电子的雪崩阈值。
（2）孔中心处场强值由大到小依次是单（倒）锥孔>圆柱孔>双锥孔。
静电场的描绘范文5
【关键词】物理教学；随堂演示实验；教学实践
大学物理是我校工科类学生必修的一门基础课，理论教学模式仍然是讲授为主，即教师描绘物理现象，理论分析，演绎推导，得出结论。对于比较抽象的概念和规律的解释，教师感到困难费劲，学生听起来也是糊涂不解，课堂气氛沉闷，二者课堂上都觉得疲劳，难以达到良好的教学效果。物理知识理论是建立在实验基础上的，物理的理论教学活动中加入演示实验环节，更利于学生的学习，有助于教学质量的提高。然而对随堂演示实验的看法，很多教师认为是中学物理教学中应有的，而大学物理教学应注重理论推导、形象逻辑思维培养，况且课时少，没必要也没时间做随堂演示实验。
通过网络我们有机会观赏到一些国外名校公开课，例如麻省理工的物理课，发现几乎每节课教师都要做几个演示实验，演示内容之丰富，给人留下深刻的印象。正值本校的大学物理教学改革之际，我们做了许多改变，其中包括在课堂上加入演示实验的实践，取得了明显的教学效果。随堂演示实验可以化抽象为具体、化深奥为简单，使模糊的东西变得清晰、枯燥的内容变得生动，刺激学生的感官，吸引注意力，提高了物理理论教学效率。以下是关于演示实验实践的简单总结。
一、形象生动的演示实验，使模糊的东西变得清晰
演示实验说明不确定度的重要性。学生对“不确定度”概念是模糊、不习惯的，认为是可有可无的，随堂用实物来演示炮弹的真实运动情形，可改变学生一些观念，加深对概念的理解。问题：与水平夹角α=45，以初速度v=7m/s射出炮弹，炮弹会落在何处？学生根据抛体运动规律的射程公式，很快得出x=5m，所以给出炮弹落在5m处的答案。
然后开始做演示实验，结果是：第一次落在4.9米处，第二次落在5.2米处，实际发射的炮弹并没有正好落在5m地方。难道是物理理论错了？显然不是的。正确的解释是因为初速度和发射角度有2%的偏差，导致射程有4%的误差，即与5m处有±0.2m的偏差，所以正确的理论预计应x=（5.0±0.2）m。显然，在从理论公式出发对结果做预测时，不考虑不确定成分是不行的。演示实验很简单但非常深刻，学生明白了不确定度部分是非常重要的，缺少不确定度的实验结果是没有意义的。
二、形象生动的演示实验使深奥的概念变为简单
法拉第电磁感应定律是从一匝线圈的磁通量的变化率来引入的，对一匝线圈的磁通量的变化的理解比较容易，但如果N匝线圈产生的电动势是一匝线圈产生的电动势的N倍，用磁通量的概念解释真的难以理解，可以通过课堂演示来证明。将柔软闭合回路（线圈）绕在螺线管外面，形成一圈，接通或断开螺线管电流瞬间，观察电流计指针偏转幅度。然后将柔软导线环绕螺线管三圈，将会看到电流计指针偏转幅度增大到3倍，说明N匝线圈产生的电动势是单匝线圈产生电动势的N倍。
也可用演示实验来验证理论推导结果。由静电场高斯定理可推导出均匀带电球壳内部的电场强度E=0，结果不可思议，对这样的结果学生不易想象，记住更不容易。期末考试总有同样的填空题，以前给出正确答案的学生不到一半。此后，随堂做了这个演示实验后（带电小球伸进球壳的空腔内），学生亲眼见到带电体没有受到静电力作用，证明球壳内没有电场，对此记忆很深刻，期末考试还是同一个填空题，答对率占75%，由此可见演示实验的重要作用。
三、随堂演示实验可以化抽象为具体
质点简谐振动与匀速圆周运动的关系比较抽象。但是利用演示实验能亲眼看到匀速圆周运动的质点在直径上的投影运动就是简谐运动。利用轻质弹簧振子，电机带动一小球旋转，转动角速度大小等于振子的固有角频率大小，会看到匀速运动小球在振子振动方向的投影运动与弹簧振子的振动几乎是一致的。简谐运动中的相位概念不直观，较难理解，而角位置直观易懂，演示将二者联系起来，有助于学生对相位概念的正确认识和理解。同时明白了物理中为什么角频率和角速度两个完全不同的概念要用同一个符号来表示的道理。
杨氏双缝的随堂演示，使学生对双缝间距和观察屏间的距离有感性认识，对干涉条纹的样式，条纹位置与出现的区域，条纹间距的影响，光程变化与条纹变化的关系等通过演示一目了然。
另外，我们还采用多媒体教学手段，以及实验录像播放等手段，为学生创造了多种教学手段并存的氛围来吸引学生的注意力，激发学生学习的兴趣，提高课堂效率。
教学实践表明，物理难学是因为概念抽象，难以想象造成的。演示实验可以弥补理论教学上的不足，及时地将教师在课堂上所讲授的内容，通过演示实验直观、形象地呈现出来，能收到事半功倍的教学效果。在物理教学中增加随堂演示实验，使学生尽可能地直接观察、经历体验物理过程，对于促进学生理解物理概念、掌握物理规律有着十分重要的作用。同时能激发学生学习物理的兴趣，培养学生观察能力、分析问题与解决问题能力。
【参考文献】
[1]赵杰.提高物理教学效率的犯法与实践[J].广西教育. 2011（1c）：84-85
静电场的描绘范文6
本文以数字集成电路为核心，设计能够实现智能控制的半导体激光器电源。
半导体激光器LD工作影响因素
半导体激光器的核心是PN结一旦被击穿或谐振腔面部分遭到破坏，则无法产生非平衡载流子和辐射复合，视其破坏程度而表现为激光器输出降低或失效。
造成LD损坏的原因主要为腔面污染和浪涌击穿。腔面污染可通过净化工作环境来解决，而更多的损坏缘于浪涌击穿。浪涌会产生半导体激光器PN结损伤或击穿，其产生原因是多方面的，包括：①电源开关瞬间电流；②电网中其它用电装备起停机；③雷电；④强的静电场等。实际工作环境下的高压、静电、浪涌冲击等因素将造成LD的损坏或使用寿命缩短，因此必须采取措施加以防护。
传统激光器电源是用纯硬件电路实现的，采用模拟控制方式，虽然也能较好的驱动激光，但无法实现精确控制，在很多工业应用中降低了精度和自动化程度，也限制了激光的应用。使用单片机对激光电源进行控制，能简化激光电源的硬件结构，有效地解决半导体激光器工作的准确、稳定和可靠性等问题。随着大规模集成电路技术的迅速发展，采用适合LD的芯片可使电源可靠性得到极大提高。
系统设计
系统框图见图1。主要由以下几部分构成。
・供电电源：实现系统供电电压(交流220V)与系统工作电压之间的转换。并采用滤波技术，使得半导体激光器工作的电压纹波很小，保证半导体激光器的正常工作。
・智能控制：主要由CPU来完成。LD电源工作在恒流模式下，设定电流后，CPU根据传感器采样的电流信号值，经过一定的算法后将输出电压经过运放电路送到激光器驱动芯片的反馈引脚，进行自动调节以达到设定的电流输出，实现激光器的智能化。 ・保护电路：半导体激光器驱动系统必须配备保护电路。保护电路将减小LD实际运用中受到的外界影响，增强了系统的可靠性。这部分主要包括过温保护、过流保护、浪涌保护等电路。
硬件电路
设计电源在连续模式下输出电流0～1.5A连续可调，具有很高的电流稳定度和很小的纹波系数，满足中小功率LD所要求的分辨率、稳定性和噪声性能。
恒流源电路
LD供电电路是一个恒流源(见图2)。ETC公司恒流源驱动芯片HY6340为核心元件。供电电压VEE的稳定对输出恒流信号的稳定起着重要作用，因此采用多重滤波技术，将VEE的纹波控制在1mV以下，保证HY6340芯片输出端12、13、14引脚信号的稳定。调节5引脚和6引脚到VEE之间的电压可以分别设定过流保护阀值和过温保护值。在恒定电流工作方式下，通过调节21引脚的输出电平来控制输出电流的大小在0-1.5A之间连续可调。
处理单元
选用Silicon公司的C8051F020为数字处理单元。在扫描按键功能实现中使用了CH451，芯片内置去抖功能和键盘中断功能。可以节省单片机的内部运行时间，确保按键读取的准确性。
电路
为实现调制信号输出电压的独立可调，在输出端添加了两级输出运放U14A和U14B。考虑到带宽要求所以放大器选用Maxim公司的高速运放MAX4215。利用高速运算放大器组成减法电路，使得输出信号由原来的对称于地电位的2Vp―p变为以2.5V电压为中心的2vp-p。当需要外接调制电路时则启动核心单元控制继电器，从而达到内置调制电路和外接调制源之间的转换。
软件设计
软件采用c51编写程序，包括主程序和中断响应程序部分。
主程序主要是实现软启动、慢关机和控制发火。在系统启动时，初始化系统后进入人机对话界面，扫描是否有按键按下，若有则调用按键处理程序，操作者可通过键盘设定输出电流输出电压基准值，同时显示，以便确认。开始工作，通过缓慢增加电压的方式来实现系统的软启动，保护LD。正常工作时，硬件电路中采样电流信号，从数模转换电路出来的信号经过采样电阻，得到相应的电压信号，传给单片机，送出显示。若出现电流波动情况则进行PID控制，其中采用了中值与均值复合滤波方法处理。系统对D／A输出信号调整，进而调整输出电流。主程序中的循环部分不断探测LD的工作电流、工作温度和发射功率，并显示出来以便查看。如果出现故障，中断信号送入单片机端口(分别相应过压、过流、突然断电情况)，系统分别调用中断程序实现对系统的快速保护。主要控制功能均利用中断实现，保证系统响应的实时性。最后当操作者按下按键关闭设备时，系统调用慢关闭程序，安全地停止工作。
数字滤波
对系统干扰作用的冲击信号往往具有较宽频谱，且具有随机性。对此，系统采用了软件方法对采样信号进行了数字平滑滤波。通过对信号进行处理，减少干扰对有用成分的作用。常见数字滤波的方法有中值滤波、均值滤波等。将中值滤波与均值滤波方法结合，构造一种复合滤波方法，具体做法是：首先对样本信号排序，去掉其中的最大值和最小值，再对余下数据组成的序列计算均值作为滤波结果，这样既可滤除冲击干扰又保留了有用信号成分。
保护设置
软启动和慢关机：系统的启动或关闭均由启动／停机键控制。如果判断为开机。则命令LD驱动芯片预热工作，再逐渐增大工作电流至设定值，实现软启动。如果判断为关闭，则逐渐降低工作电流直到零，实现侵关机。
电流过载保护：程序设定或通过键盘确定电流值上限值，CPU通过控制数字电位器调节激光驱动芯片PIN21的电压并检测电流，保证流经LD的电流的稳定，防止出现过流而损，坏LD。实时比较电流设定值和采样值，当实际值大于上限时，系统启动限流保护动作。
测试结果
根据设计制作了数字式电源，连接现有的实验室用的半导体激光器，进行性能测试。
开机后激光器预热半小时，通过软件设定方式调节激光器的工作电流至1.5A，激光器启动系统运行，工作电流平稳上升达到1.5A，动态响应时间在1.5～2s之间。系统输出电流为1.5A，连续工作4小时，每间隔10分钟记录1次电流，按照时间排列测试次序和相应的电流值。测试结果数据描绘曲线见图3。结果表明系统的控制电流稳定，误差小。测试结束后关闭激光器，系统逐步减小输出电压信号，降低输出功率至零后激光器停止工作。结果表明，采用数字控制方案的电源达到激光器的稳态精度要求。