自制范式起電機對庫侖定律演示實驗的改進

徐志海

(云南師范大學物理與電子信息學院 云南 昆明 650500)

郭明皓

(安陽市第一中學 河南 安陽 455000)

“庫侖定律”是高中物理靜電學的基礎內容和重要知識點.通常，教師在教學引入過程中需要做演示實驗或視頻，以引導學生分析影響電荷間作用力的因素.但在長期的物理教學過程中，由于小球荷電能力差,并且受空氣潮濕的影響，放電較快，小球單線懸掛穩定度也不夠，導致演示實驗成功率低和觀察效果較差.為此，本文利用自制范氏起電機對庫侖定律演示實驗進行了改進和分析.

1 實驗存在的不足

人教版高中教材《物理·選修3-1》中“探究影響電荷間相互作用力的因素”實驗裝置如圖1所示.

圖1 庫侖演示實驗

利用起電機使物體帶正電荷Q，右側支架上用單線懸掛帶等量正電的小球，通過觀察細線偏離豎直位置的角度，比較帶電體所受作用力的大小，探究帶電體之間的作用力與距離的關系[1]；保持帶電物體和小球的相對位置不變，增減小球的電荷量，探究帶電體之間的作用力與帶電荷量之間的關系.

在教材設計的實驗操作過程中，主要存在以下幾個缺點：

(1)帶電體電荷量Q的控制.實驗采用摩擦或感應起電使物體一次性帶電，改變電荷量困難，不能說明電荷量與庫侖力的關系.

(2)懸掛小球的懸掛方式和質量影響.在小球的懸掛方式上選用單線懸掛造成小球的偏轉方向隨意性較大，不同視向的學生觀察不一致，無法判斷電荷間的相互作用力與距離的關系.小球質量過大，不易觀察到庫侖力的作用；質量過小，容易受到周邊環境(風、氣壓差)的影響.

(3)懸掛小球的荷電能力差.首先，潮濕空氣使電荷極易流失；此外，大多數使用的泡沫小球表面尖端放電和導電性差都大大影響其荷電能力；最終導致庫侖力太小，實驗現象不明顯.帶電小球的偏轉角度沒有設置參照物進行對比，3次移動小球過程中，學生無法從視覺上得到直接的比較.

(4)在探究電荷之間的相互作用和電荷量之間的關系時，僅靠接觸增減電荷，電荷的數量難以把握.

2 實驗的改進

許多文獻嘗試多種改進的方法，如改變單線懸掛方式增加穩定性，懸掛小球上涂抹碳粉增加荷電能力；采用錫箔片代替小球增加荷電能力等等[2,3].本文從其他方面，如實驗器材和觀察方法上進行了如下的一些改進.

2.1 自制范德格拉夫起電機

范式起電機，即范德格拉夫起電機，是一種靜電產生高壓的裝置，通常用來加速各種帶電粒子，如質子、電子等.此外，這種起電機也可用來演示靜電現象，如使頭發豎立起來、吸引發泡膠球等.起電方法有兩種，一種使用高壓電源，另一種使用傳送帶和滾軸摩擦.

本文采用第二種方法起電，提供持續電荷[4]，并且電荷量可控制.所用材料為絕緣膠帶、變壓器、礦泉水瓶、電動機、導線、醫用橡皮管、圓珠筆桿等，傳送帶由不導電的醫用橡皮管制作，下滾軸由纏繞硅膠帶的圓珠筆桿制作，電刷由接地的電線剝開后制作.圖2是自制范式起電機的實物圖.

圖2 自制范氏起電機實物圖

通過變壓器和直流電源，啟動電動機，電機軸插入下滾軸筆桿中并固定，帶動下滾軸轉動.傳送帶在下滾軸的帶動下開始轉動，傳送帶材料為橡膠，下滾軸包裹硅膠帶.根據摩擦起電產生正負電荷的序列可知，硅膠帶的電負性較大(即更容易捕獲電子)，橡膠電負性較小，兩者摩擦，傳送帶失去電子，下滾軸將帶負電荷，連續轉動導致下滾軸積累大量負電荷并從下電刷導出，同時，傳送帶則產生正電荷并通過上滾軸的電刷導出，電刷放在與滾軸距離不同的多個位置，不能接觸傳動帶.兩種異種電荷通過上、下電刷分別導入帶電體，進行庫侖定律的演示實驗.

2.2 輕磁帶條代替懸掛小球

自制范德格拉夫起電機可以通過摩擦積累電荷，通過導線傳輸到帶電體(金屬小球)上.在改進實驗中，不再使用懸掛小球來演示庫侖力的存在，而是采用錄音磁帶內的磁帶條代替.磁帶條是由聚酯薄膜基底和導電的磁性材料(FeO磁粉或金屬磁粉)涂層構成，當磁帶條帶有異種電荷后，由于質量很輕，可以將庫侖吸引力的作用效果放大.磁帶條的形態變化可以反映庫侖力的變化情況，使得學生更容易觀察庫侖定律的實驗規律.

3 改進后的庫侖定律演示實驗

實驗中所用的器材有自制范氏起電機、兩個金屬小球(粘有幾十根磁帶條)、刻度尺.此外，兩個金屬小球有絕緣底座，并且金屬支架上套上塑料管.磁帶條用導電膠帶粘貼并覆蓋在金屬小球表面，兩金屬小球與范氏起電機兩電刷連接端采用半閉式接頭，避免金屬裸露在空氣中，以達到良好的絕緣效果，防止漏電.具體演示過程如下.

3.1 電荷之間的作用力與距離的關系

將兩個粘有磁帶條的金屬小球分別接入起電機的上下電刷，并記錄兩個小球底座之間的距離為11 cm，如圖3(a)所示.啟動起電機之前，用電吹風吹起電機及金屬小球上的磁帶條，讓起電機內及其周圍的空氣保持干燥，減小電荷的流失.啟動范氏起電機，給兩金屬小球輸送電荷.由于上下兩個電刷帶異種電荷，因此兩個金屬小球及磁條帶上也帶有異種電荷，通電一段時間后可觀察到兩金屬小球之間的磁帶條由于庫侖吸引力相互纏繞，呈現“牽手”之態.

固定零刻度的金屬小球的位置不變，將兩小球距離分別增加為14 cm和17 cm,如圖3(b)和圖3(c)所示，即可以研究電荷之間的相互作用力與電荷之間距離的關系.實驗中我們通過觀察兩金屬小球上磁帶條的“牽手”數量來研究兩金屬小球之間作用力的大小.通過觀察可發現,當兩個小球靠得比較近時,兩小球之間錄音磁帶條“牽手”的數目較多，隨著距離的增加，磁帶條飄起來的數目減少.從而可以得出實驗結論：電荷之間的作用力隨著距離的增大而減小.

圖3 探究電荷間作用力與距離的關系

3.2 電荷之間的作用力與電荷量的關系

在上述實驗基礎上，關閉起電機，并用手接觸兩金屬小球釋放小球上的電荷(人體接地).將兩小球距離固定在12 cm，啟動起電機，使兩金屬小球帶上異種電荷，如圖4所示.通電1 min時，可以觀察到兩金屬球之間的磁帶條有靠近的趨勢，如圖4(a)所示；通電2 min后，磁帶條有明顯的“牽手”(吸引)現象，如圖4(b)所示；繼續通電，3 min后的現象如圖4(c)所示，磁帶條基本呈現“牽手”狀態.實驗結果表明：隨著通電時間加長，金屬小球上的電荷逐漸增多，兩小球之間的錄音磁帶條“牽手”的數目較多，隨著距離的增加，磁帶條飄起來的數目減少.從而可以得出實驗結論：電荷之間的作用力隨著距離的增大而減小，隨著電荷量的增大而增大.

圖4 探究電荷之間的作用力與電荷量的關系

4 實驗改進前后的總結

表1示出了改進前后的實驗效果對比，改進后的實驗具有以下優點：

(1)電荷的產生由一次性摩擦帶電變為了起電機持續供電，電荷量隨著起電機工作時間的增長而增多，帶電荷量有極大的提高；

(2)可以通過控制起電機的工作時間來增減兩小球上電荷量的數目；

(3)運用較多比較輕便的錄音磁帶條放大實驗效果，加強了對比性，學生觀察更加容易；

(4)通過改進后的實驗可發現，通過觀察磁帶條的飄飛狀況比原實驗直接觀察帶電小球的懸線角度更加的可視化與精確化.通過改進增強了實驗的穩定性，使實驗達到了更好的演示效果.

表1 改進前后實驗效果對比

為了提高實驗的成功率，還需要注意以下事項：實驗前用熱吹風機對起電機烘干，或放在陽光下照射10 min，讓起電機中的空氣更干燥，使實驗現象更明顯[2]；實驗前應先將手洗凈并且烘干，不能用未經清洗的手去接觸儀器，因為這樣會破壞表面的絕緣性；在整個實驗過程中，實驗者不能在儀器附近正對儀器呼氣，因為人體呼出的氣體中水汽凝附在儀器表面，會對實驗產生影響[5].

5 總結

庫侖定律演示實驗作為學習庫侖定律的基礎，做好演示實驗既是對教師能力的提升，同時也能讓學生更好地進入課堂，達到良好的教學效果.通過自制教具進行實驗演示，能夠帶動學生主動參與教學過程，激發學生的學習興趣，啟發學生運用生活中常見的物品進行實驗，鍛煉其動手能力.利用范氏起電機對庫侖定律演示實驗的改進提升了實驗的效果，引入起電機后降低了實驗的成本，極大地縮短了演示的時間，同時提升了實驗的成功率.

參 考 文 獻

1 彭耀.新課標下高中物理實驗教學探討:[學位論文].武漢：華中師范大學，2008

2 朱小飛. 如何保證庫侖定律演示實驗的成功.物理教師,2014，35(3)：21～22

3 于朋杰，韓建志．庫侖定律定性演示實驗的設計與制作．物理教師，1999,20(5):28～29

4 劉雪文. 有關電源電動勢的實例分析與應用. 物理教師, 2014, 35(5):40～41

5 王雪彬. 對人教版3-1“庫侖定律”演示實驗的深入思考. 物理教師, 2013, 34(9):62