也談電擺法探究庫侖定律的實驗設計思想與建議*

馬朱林

(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

(蘇州實驗中學 江蘇 蘇州 215011)

通過研讀文獻并運用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、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的物理思想和注意點，形成此文，以饗讀者.

庫侖定律 設計思想 近似思想

1 問題的提出

在現行人教版《物理·選修3-1》第一章第二節“庫侖定律”教學中，由于靜電實驗對環境的嚴苛和成功概率較低的原因，不少教師會選擇播放視頻或動畫模擬來替代現場演示實驗，若學校有庫侖扭秤，教師也會優先選用現成的庫侖扭秤做演示實驗.雖有不少文獻對該實驗探究提供了實驗設計方案，但筆者按照文獻提供的方案進行實驗后發現，大部分實驗方案在實際實驗時其實驗結果與預設相差甚遠，甚至無法呈現文獻中所描述的實驗現象.無論是《物理課程標準(實驗)》中三維目標提出的“過程與方法”，還是即將推行的“物理核心素養”中提出的“科學探究”，其共同點都是著重強調“學生的物理觀念、方法、思想的構建是在教師的引領下通過自主、探究、合作、活動的學習方式形成的”，“探究”依然是物理教學的核心理念.實驗探究是科學探究的重要組成部分，對于以實驗為基礎的物理學科顯得尤為重要.用視頻和動畫替代現場演示實驗的缺陷就是學生無法直接參與實驗設計和操作，缺乏真實性和說服力；用現成的庫侖扭秤做演示實驗雖具真實性，但實驗原理和設計思想并非源自學生，而且實驗原理中涉及學生沒有接觸過的力矩、扭力矩、力矩平衡等物理概念和原理，而這些概念、原理并非本節所要求的內容，加重了學生思維負擔和理解難度.

學生通過閱讀教材文本“探究影響電荷間相互作用的因素”后會很自然地聯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：

(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來實現，然而(2)、(3)兩個問題的解決確實存在不少困難.

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，其結果令筆者驚詫：一部分實驗所呈現的現象差強人意，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，并形成此文，以饗讀者.

圖1 電擺實驗裝置

2 實驗設計的思想和方法

實驗的開發如同一項發明，由原理設計和技術試驗兩個部分構成，原理設計是最關鍵的部分.而原理設計中包含實驗設計目標、設計思想和設計方法，其中實驗設計思想和方法又是重中之重，是實驗開發最核心的內容.物理實驗的設計中必須體現物理思想和物理方法，這不僅是實驗設計的需求，也是物理教學的要求.物理教學的目的是什么？是以物理知識為載體將物理思想和物理方法根植于學生心中，學生能靈活運用物理思想和方法去解決其他問題，尤其是物理學科以外的問題.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.

(1)控制變量法

下面先對2度點的色集合進行討論,由染色算法,點u03,u05,…,u0(2n+1),um4,um6,…,um(2n),um1以及點us(2n+2), us1(s=2,4,…,m-2)的色集合均可相互區分且它們的色集合均由不超過k的顏色組成可設其中1

(2)倍增半分思想

(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，巧用三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之間的幾何關系，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，兩帶電體間的庫侖力也隨之減半，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=mgθ(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.

筆者嘗試了幾種細線后，最終選擇了腈綸繡花線，并且將一根繡花線分成4股，選擇其中一股作為擺線.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：一個是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；另一個是鉛筆芯屑帶電不易，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.

筆者在制作電擺時嘗試了多種材質，如牛油紙(電容器中取得)、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，如圖3所示.

圖3 金箔筒

用金箔筒制作的電擺不僅帶電容易，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.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下.

(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崇的一種方法，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，反而會讓實驗定律失信于學生.

5 結束語

首都師范大學邢紅軍教授認為，我們的物理教學中既不缺少物理知識，也不缺少獲取物理知識的方法和途徑，缺乏的是物理思想的教學.筆者認為，物理思想的呈現不僅要根植于物理理論探究，實驗探究中的實驗設計思想也應在物理思想的指導下形成，讓學生在實驗設計和實驗演示中深刻體會到物理思想對設計原理的主導作用.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，也是物理教育者的企望.

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.物理教師，2015(2):48

2 路文梅.庫侖定律實驗的簡易方案.物理教學探討，2008(1):10

3 吳廷民.驗證庫侖定律的學生實驗.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.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.中學物理教學參考，2016(7):29

2017-04-14)

**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” 研究成果之一,項目編號:B-b/2016/02/63