馬朱林

(江蘇省蘇州實驗中學(xué)，江蘇 蘇州 215011)

也談電擺法探究庫侖定律的實驗設(shè)計思想與建議

馬朱林

(江蘇省蘇州實驗中學(xué)，江蘇 蘇州 215011)

筆者通過研讀文獻(xiàn)并運(yùn)用電擺實驗裝置進(jìn)行反復(fù)試驗、改進(jìn),總結(jié)出實驗原理簡單、可操作性強(qiáng)、成功概率高的實驗設(shè)計,并提煉出實驗設(shè)計中所涉及的物理思想．

庫侖定律； 設(shè)計思想； 近似思想

1 問題的提出

在現(xiàn)行人教版選修3-1第1章第2節(jié)“庫侖定律”教學(xué)中,學(xué)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(yùn)用電擺裝置進(jìn)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(huán)境; (2) 擺球的制作及帶電; (3) 庫侖力的定量測量．干燥的環(huán)境可以通過空調(diào)長時間抽濕和大功率燈泡加溫以達(dá)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(xiàn)資料并按照文獻(xiàn)所提供的方法逐一實驗，發(fā)現(xiàn)一部分實驗所呈現(xiàn)的現(xiàn)象誤差很大,而另一部分實驗根本無法出現(xiàn)文獻(xiàn)中所描述的實驗現(xiàn)象．為此,筆者通過研讀文獻(xiàn)并運(yùn)用如圖1所示的電擺實驗裝置進(jìn)行反復(fù)試驗、改進(jìn),最終總結(jié)出實驗原理簡單易懂、可操作性強(qiáng)且成功概率較高的實驗設(shè)計．

2 實驗設(shè)計的思想和方法

運(yùn)用電擺裝置探究庫侖定律的實驗設(shè)計中主要運(yùn)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(yùn)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(zhì)量m和擺角θ,利用3力平衡原理可達(dá)到測量庫侖力F的目的．對帶電金箔筒進(jìn)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(guān)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(guān)系時,當(dāng)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(dāng)相應(yīng)減?。欢?當(dāng)金箔筒擺角減小時,金屬球與金箔筒的間距r也會作相應(yīng)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(guān)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(shè)計得很小,使得最大擺角值不超過10°,當(dāng)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(dāng)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(guān)系式F=mgtanθ．

當(dāng)θ很小時,tanθ≈θ,故有F=mg·θ(θ用弧度制表示)．當(dāng)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(xiàn)象直接表現(xiàn)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(qiáng)、更簡便．

3 實驗器材的優(yōu)選

運(yùn)用電擺法探究庫侖定律的實驗中,器材的選擇至關(guān)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(xiàn)[1～3]中提供的器材和方法逐個試驗,歸結(jié)出如下不足并作出改進(jìn)．

(1) 文獻(xiàn)[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(qiáng),柔軟性不夠,涂上蠟層后會進(jìn)一步減弱其柔性．較短的魚線本身具有一定的弧度,且因?qū)⑴菽∏?文獻(xiàn)[1]中提議的實驗器材)作為帶電體,質(zhì)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(xì)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(yōu)點是柔軟度和絕緣性能均很好,且質(zhì)量很輕．

(2) 文獻(xiàn)[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(xiàn)[2]提出用兩片圓形金屬箔制作成雙線擺,其雖易帶電,但穩(wěn)定性不夠．

圖3 金箔筒

筆者在制作電擺時嘗試了多種材質(zhì),如牛油紙(電容器中取出)、用墨粉代替鉛筆芯屑等,經(jīng)多次試驗,發(fā)現(xiàn)以上材料均難以帶上恒量電荷．經(jīng)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(nèi)保持不變,且穩(wěn)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(huán)境和實驗儀器干燥.在做實驗之前將實驗室空調(diào)打開并設(shè)置成抽濕模式,同時運(yùn)用大功率燈泡照射實驗儀器,使得整個實驗環(huán)境和實驗儀器處于干燥狀態(tài)．

(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(dǎo)體表面光滑,無任何污漬和銹跡．球形導(dǎo)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(dǎo)體不漏電．

(3) 球形導(dǎo)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(jī)給其帶電．當(dāng)然,在環(huán)境比較干燥的環(huán)境中,運(yùn)用感應(yīng)起電機(jī)給球形導(dǎo)體和金箔筒帶電,其實驗現(xiàn)象也是比較明顯的,依然可以達(dá)到實驗的目的和理想的效果．文獻(xiàn)[1]中介紹了利用感應(yīng)起電的方式讓球形導(dǎo)體帶電也是值得推薦的一種方法,但是在運(yùn)用該方法時,務(wù)必讓學(xué)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(yùn)用電荷減半法讓球形導(dǎo)體和金箔筒電荷量減半時,務(wù)必使得兩個球形導(dǎo)體及兩個金箔筒相同,否則難以實現(xiàn)電荷等分而產(chǎn)生很大的實驗誤差,反而適得其反．

5 結(jié)語

在用電擺法進(jìn)行庫侖定律的實驗設(shè)計過程中,讓學(xué)生深刻體會控制變量法對研究多個物理量之間的定量關(guān)系之必然,讓學(xué)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(guān)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(yùn)用到解決其他物理問題上,這才是物理核心素養(yǎng)的真正體現(xiàn)．

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(xué)探討,2008(1):10.

3 吳廷民.驗證庫侖定律的學(xué)生實驗[J].物理教學(xué),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(xué),2016(8):61.

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

2017-03-12)

本文為江蘇省“十三五”規(guī)劃課題“基于核心素養(yǎng)的普通高中學(xué)校課程優(yōu)化統(tǒng)整的研究” (編號B-b/2016/02/63)研究成果之一．