也談電擺法探究庫侖定律的實驗設計思想與建議

馬朱林

(江蘇省蘇州實驗中學，江蘇 蘇州 215011)

也談電擺法探究庫侖定律的實驗設計思想與建議

馬朱林

(江蘇省蘇州實驗中學，江蘇 蘇州 215011)

筆者通過研讀文獻并運用電擺實驗裝置進行反復試驗、改進,總結出實驗原理簡單、可操作性強、成功概率高的實驗設計,并提煉出實驗設計中所涉及的物理思想．

庫侖定律； 設計思想； 近似思想

1 問題的提出

在現行人教版選修3-1第1章第2節“庫侖定律”教學中,學生通過閱讀教材文本“探究影響電荷間相互作用的因素”后會很自然地想到通過運用電擺裝置進行庫侖定律的實驗探究．但是,要做好電擺實驗必須解決好3個問題: (1) 干燥的環境; (2) 擺球的制作及帶電; (3) 庫侖力的定量測量．干燥的環境可以通過空調長時間抽濕和大功率燈泡加溫以達到干燥之效,然(2)、(3)兩個問題的解決確實存在不少困難．

圖1 電擺實驗裝置

筆者查閱了大量的文獻資料并按照文獻所提供的方法逐一實驗，發現一部分實驗所呈現的現象誤差很大,而另一部分實驗根本無法出現文獻中所描述的實驗現象．為此,筆者通過研讀文獻并運用如圖1所示的電擺實驗裝置進行反復試驗、改進,最終總結出實驗原理簡單易懂、可操作性強且成功概率較高的實驗設計．

2 實驗設計的思想和方法

運用電擺裝置探究庫侖定律的實驗設計中主要運用了3種物理思想方法．

2.1 控制變量法

2.2 倍增半分思想

2.3 近似思想

在運用如圖1所示的電擺裝置探究庫侖定律時,通過測量金箔筒的質量m和擺角θ,利用3力平衡原理可達到測量庫侖力F的目的．對帶電金箔筒進行如圖2所示的受力分析,通過庫侖力F和金箔筒的重力mg之間的關系,即可得到金箔筒所受庫侖力F=mgtanθ.

圖2 帶電金箔筒的受力分析圖

探究r不變時庫侖力F和電荷量q之間的定量關系時,當其中一個帶電體的電荷量減半時,其間庫侖力也隨之減半,那么,金箔筒的擺角也當相應減小．然而,當金箔筒擺角減小時,金屬球與金箔筒的間距r也會作相應改變,這違背了“r不變”的前提,為實驗所不容許的．而且,隨著擺角的大幅度變小,難以保證金箔筒受到的庫侖力在水平方向,F=mgtanθ的關系就不能成立．為了解決以上兩個難題,筆者將金箔筒的擺角θ設計得很小,使得最大擺角值不超過10°,當庫侖力減小時,金箔筒擺角亦隨之減小,但是由于擺角的改變量Δθ很小,故金箔筒與金屬球球心之間距離的改變量Δr也極小,相對于r而言可忽略不計,其所受到的庫侖力F依然可視作水平方向,所以,當金箔筒平衡時,其受到的庫侖力F與重力mg之間依然滿足關系式F=mgtanθ．

當θ很小時,tanθ≈θ,故有F=mg·θ(θ用弧度制表示)．當帶電體或帶電金箔筒的電荷量減半時,其庫侖力也隨之減半,其實驗現象直接表現為擺角減半,這樣就可以直接通過測量擺角來判斷庫侖力的大小變化,使得庫侖力的定量測量更直接、直觀,操作性更強、更簡便．

3 實驗器材的優選

運用電擺法探究庫侖定律的實驗中,器材的選擇至關重要,對整個實驗的成功與否起著決定性的作用．筆者將文獻[1～3]中提供的器材和方法逐個試驗,歸結出如下不足并作出改進．

(1) 文獻[1]中建議將涂蠟的魚線作為擺線．在實驗操作時,由于魚線本身的泛性形變能力較強,柔軟性不夠,涂上蠟層后會進一步減弱其柔性．較短的魚線本身具有一定的弧度,且因將泡沫小球(文獻[1]中提議的實驗器材)作為帶電體,質量較小,難以將魚線拉直,故難以形成電擺．

筆者嘗試了多種細線后,最終選擇了腈綸繡花線,并且將一根繡花線劃分成4股,擇其一股作為擺線．繡花線的優點是柔軟度和絕緣性能均很好,且質量很輕．

(2) 文獻[1]、[3]中建議用小刀將泡沫削成一個小球,再將鉛筆芯屑或碳素墨水粘在小球表面從而形成電擺．以上操作存在兩大缺陷: ① 用刀削成的泡沫小球難成球形,且表面粗糙,鉛筆芯屑粘在球面上很難做到厚薄均勻; ② 鉛筆芯屑帶電不易,更加難以做到保持電荷量不變,碳素墨水根本無法帶電．文獻[2]提出用兩片圓形金屬箔制作成雙線擺,其雖易帶電,但穩定性不夠．

圖3 金箔筒

筆者在制作電擺時嘗試了多種材質,如牛油紙(電容器中取出)、用墨粉代替鉛筆芯屑等,經多次試驗,發現以上材料均難以帶上恒量電荷．經多次試驗,最終選擇金箔筒作為電擺,其不僅帶電容易,電荷量可在較長時間內保持不變,且穩定性好．具體制作如下:用一矩形錫箔繞在圓柱形鉛筆上,制作成一個圓筒狀,并將其系于繡花線一端,如圖3所示．在卷制時,不要將錫箔弄皺,金箔筒下邊沿要剪平．

4 實驗操作的注意點

(1) 保持環境和實驗儀器干燥.在做實驗之前將實驗室空調打開并設置成抽濕模式,同時運用大功率燈泡照射實驗儀器,使得整個實驗環境和實驗儀器處于干燥狀態．

(2) 該實驗對帶電體的絕緣性要求特別高．在實驗時必須要使得帶電球形導體表面光滑,無任何污漬和銹跡．球形導體的絕緣柄要用絲綢拭擦干凈,底座置于干凈、干燥的泡沫板上或純度較高的石蠟板上以保證球形導體不漏電．

(3) 球形導體的帶電方式有很多種,比較理想的方式是使用范式起電機給其帶電．當然,在環境比較干燥的環境中,運用感應起電機給球形導體和金箔筒帶電,其實驗現象也是比較明顯的,依然可以達到實驗的目的和理想的效果．文獻[1]中介紹了利用感應起電的方式讓球形導體帶電也是值得推薦的一種方法,但是在運用該方法時,務必讓學生要弄清其物理原理和操作步驟,否則其實驗效果也會適得其反．

(4) 在運用電荷減半法讓球形導體和金箔筒電荷量減半時,務必使得兩個球形導體及兩個金箔筒相同,否則難以實現電荷等分而產生很大的實驗誤差,反而適得其反．

5 結語

在用電擺法進行庫侖定律的實驗設計過程中,讓學生深刻體會控制變量法對研究多個物理量之間的定量關系之必然,讓學生感嘆于倍增減半思想研究無法精確測量的物理量間定量關系和近似思想研究微變物理量之巧妙,并能將這些思想方法靈活運用到解決其他物理問題上,這才是物理核心素養的真正體現．

1 居津.對“探究影響電荷間相互作用力的因素”演示實驗的一點建議[J].物理教師,2015(2):48.

2 路文梅.庫侖定律實驗的簡易方案[J].物理教學探討,2008(1):10.

3 吳廷民.驗證庫侖定律的學生實驗[J].物理教學,1988(1):18.

4 邢紅軍.論物理思想的教育價值及其啟示[J].課程與教學,2016(8):61.

5 馬朱林.巧用類比法突破抽象定律教學的難點——以“庫侖定律”的教學為例[J].中學物理教學參考,2016(7):29.

2017-03-12)

本文為江蘇省“十三五”規劃課題“基于核心素養的普通高中學校課程優化統整的研究” (編號B-b/2016/02/63)研究成果之一．