馬朱林

(江蘇省蘇州實(shí)驗(yàn)中學(xué)，江蘇 蘇州 215011)

也談電擺法探究庫(kù)侖定律的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思想與建議

馬朱林

(江蘇省蘇州實(shí)驗(yàn)中學(xué)，江蘇 蘇州 215011)

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

庫(kù)侖定律； 設(shè)計(jì)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(kù)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(huì)很自然地想到通過運(yùn)用電擺裝置進(jìn)行庫(kù)侖定律的實(shí)驗(yàn)探究．但是,要做好電擺實(shí)驗(yàn)必須解決好3個(gè)問題: (1) 干燥的環(huán)境; (2) 擺球的制作及帶電; (3) 庫(kù)侖力的定量測(cè)量．干燥的環(huán)境可以通過空調(diào)長(zhǎng)時(shí)間抽濕和大功率燈泡加溫以達(dá)到干燥之效,然(2)、(3)兩個(gè)問題的解決確實(shí)存在不少困難．

圖1 電擺實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)一部分實(shí)驗(yàn)所呈現(xiàn)的現(xiàn)象誤差很大,而另一部分實(shí)驗(yàn)根本無法出現(xiàn)文獻(xiàn)中所描述的實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行反復(fù)試驗(yàn)、改進(jìn),最終總結(jié)出實(shí)驗(yàn)原理簡(jiǎn)單易懂、可操作性強(qiáng)且成功概率較高的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)．

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的思想和方法

運(yùn)用電擺裝置探究庫(kù)侖定律的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)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(kù)侖定律時(shí),通過測(cè)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(cè)量庫(kù)侖力F的目的．對(duì)帶電金箔筒進(jìn)行如圖2所示的受力分析,通過庫(kù)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(kù)侖力F=mgtanθ.

圖2 帶電金箔筒的受力分析圖

探究r不變時(shí)庫(kù)侖力F和電荷量q之間的定量關(guān)系時(shí),當(dāng)其中一個(gè)帶電體的電荷量減半時(shí),其間庫(kù)侖力也隨之減半,那么,金箔筒的擺角也當(dāng)相應(yīng)減小．然而,當(dāng)金箔筒擺角減小時(shí),金屬球與金箔筒的間距r也會(huì)作相應(yīng)改變,這違背了“r不變”的前提,為實(shí)驗(yàn)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(kù)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(gè)難題,筆者將金箔筒的擺角θ設(shè)計(jì)得很小,使得最大擺角值不超過10°,當(dāng)庫(kù)侖力減小時(shí),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(duì)于r而言可忽略不計(jì),其所受到的庫(kù)侖力F依然可視作水平方向,所以,當(dāng)金箔筒平衡時(shí),其受到的庫(kù)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(shí),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(shí),其庫(kù)侖力也隨之減半,其實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象直接表現(xiàn)為擺角減半,這樣就可以直接通過測(cè)量擺角來判斷庫(kù)侖力的大小變化,使得庫(kù)侖力的定量測(cè)量更直接、直觀,操作性更強(qiáng)、更簡(jiǎn)便．

3 實(shí)驗(yàn)器材的優(yōu)選

運(yùn)用電擺法探究庫(kù)侖定律的實(shí)驗(yàn)中,器材的選擇至關(guān)重要,對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)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(gè)試驗(yàn),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(shí)驗(yàn)操作時(shí),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(huì)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(shí)驗(yàn)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(diǎn)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(gè)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(shí)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(yàn),發(fā)現(xiàn)以上材料均難以帶上恒量電荷．經(jīng)多次試驗(yàn),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(zhǎng)時(shí)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(gè)圓筒狀,并將其系于繡花線一端,如圖3所示．在卷制時(shí),不要將錫箔弄皺,金箔筒下邊沿要剪平．

4 實(shí)驗(yàn)操作的注意點(diǎn)

(1) 保持環(huán)境和實(shí)驗(yàn)儀器干燥.在做實(shí)驗(yàn)之前將實(shí)驗(yàn)室空調(diào)打開并設(shè)置成抽濕模式,同時(shí)運(yùn)用大功率燈泡照射實(shí)驗(yàn)儀器,使得整個(gè)實(shí)驗(yàn)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)儀器處于干燥狀態(tài)．

(2) 該實(shí)驗(yàn)對(duì)帶電體的絕緣性要求特別高．在實(shí)驗(yàn)時(shí)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(shí)驗(yàn)現(xiàn)象也是比較明顯的,依然可以達(dá)到實(shí)驗(yàn)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(shí),務(wù)必讓學(xué)生要弄清其物理原理和操作步驟,否則其實(shí)驗(yàn)效果也會(huì)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(shí),務(wù)必使得兩個(gè)球形導(dǎo)體及兩個(gè)金箔筒相同,否則難以實(shí)現(xiàn)電荷等分而產(chǎn)生很大的實(shí)驗(yàn)誤差,反而適得其反．

5 結(jié)語

在用電擺法進(jìn)行庫(kù)侖定律的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)過程中,讓學(xué)生深刻體會(huì)控制變量法對(duì)研究多個(gè)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(cè)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(duì)“探究影響電荷間相互作用力的因素”演示實(shí)驗(yàn)的一點(diǎn)建議[J].物理教師,2015(2):48.

2 路文梅.庫(kù)侖定律實(shí)驗(yàn)的簡(jiǎn)易方案[J].物理教學(xué)探討,2008(1):10.

3 吳廷民.驗(yàn)證庫(kù)侖定律的學(xué)生實(shí)驗(yàn)[J].物理教學(xué),1988(1):18.

4 邢紅軍.論物理思想的教育價(jià)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(diǎn)——以“庫(kù)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(hào)B-b/2016/02/63)研究成果之一．