如何保證庫(kù)侖定律演示實(shí)驗(yàn)的成功

朱小飛

(柳州鐵一中學(xué)，廣西柳州 545007)

“庫(kù)侖定律”是靜電學(xué)部分的重點(diǎn)內(nèi)容之一，通常教學(xué)是通過(guò)教師演示實(shí)驗(yàn)或視頻資料以引導(dǎo)學(xué)生分析影響電荷間作用力的因素.筆者在上課時(shí)大膽將教師演示實(shí)驗(yàn)加以改進(jìn)變成學(xué)生探究實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生有更加直觀的物理體驗(yàn).在對(duì)教學(xué)過(guò)程尤其是實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程和實(shí)驗(yàn)手段進(jìn)行認(rèn)真反思之后，對(duì)“影響電荷間相互作用力的因素”的演示實(shí)驗(yàn)進(jìn)行研究，嘗試了多種不同材料，多管齊下確保了學(xué)生實(shí)驗(yàn)的成功.

1 教材上本實(shí)驗(yàn)的處理

我們所用的教材是人教版高中物理(選修3-1)，教材第5頁(yè)簡(jiǎn)單介紹了如圖1所示的實(shí)驗(yàn)，并介紹“這個(gè)力的大小可以通過(guò)絲線偏離豎直方向的角度顯示出來(lái)”，但對(duì)實(shí)驗(yàn)操作的細(xì)節(jié)未加闡釋，很多教師也只是對(duì)其進(jìn)行了簡(jiǎn)單的演示.

演示時(shí)，先通過(guò)范氏起電機(jī)或者感應(yīng)起電機(jī)讓一個(gè)金屬球與其接觸而帶電.教師用手提著細(xì)線不斷改變小球與范氏起電機(jī)的距離，讓學(xué)生觀察小球傾斜角度的變化，由此說(shuō)明電荷間作用力與電荷間距離的定性關(guān)系.但是筆者在準(zhǔn)備這個(gè)實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)由于空氣潮濕和儀器本身的原因，很難有明顯的效果.經(jīng)過(guò)反復(fù)的嘗試，對(duì)庫(kù)侖定律實(shí)驗(yàn)做了以下的改進(jìn).

圖1

2 實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)

(1)改變懸掛方式.

教材上是用一根絲線懸掛小球，由于實(shí)驗(yàn)用的小球質(zhì)量很小，容易受空氣流動(dòng)而晃動(dòng)，就不能說(shuō)明絲線與豎直方向的偏角是由庫(kù)侖力造成的.筆者改成用兩根絲線懸掛(如圖2所示)，不容易兩邊晃動(dòng)，提高了小球的穩(wěn)定性.

圖2

(2)改變懸掛物材料.

教材上給出的懸掛物體是小球，筆者嘗試了用泡沫塑料做的小球，為了增加其帶電荷的能力，還取出了廢舊電池的碳棒，刮下碳粉均勻的涂抹在小球表面，結(jié)果實(shí)驗(yàn)未成功，查閱資料后又將打印機(jī)的墨粉取出涂抹在小球表面，實(shí)驗(yàn)還是沒(méi)有成功.經(jīng)分析原因是我們手工制作的泡沫小球很難做到光滑平整，容易發(fā)生尖端放電，電荷很難長(zhǎng)時(shí)間留在小球表面.

第2次嘗試的懸掛物體是乒乓球，筆者找了一個(gè)乒乓球，為了增加其帶電能力，將乒乓球表面涂抹碳素墨水，曬干后再涂抹一層再曬干.實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)乒乓球質(zhì)量太大，帶電小球間的庫(kù)侖力不足以讓乒乓球發(fā)生較明顯的偏轉(zhuǎn)，實(shí)驗(yàn)依然失敗.

圖3

經(jīng)過(guò)前兩次的嘗試，分析懸掛物體應(yīng)該是質(zhì)量輕小且容易帶電，表面平滑的物體，因此想到了導(dǎo)電紙和錫箔片，將導(dǎo)電紙和錫箔片剪成1cm寬、3cm長(zhǎng)的小片，為了保證平滑，邊緣的一些毛刺用火燒掉，并且懸掛的絲線不能穿洞，而是用透明膠粘在上面(圖3)，實(shí)驗(yàn)效果很好.

最后又嘗試了用脫脂棉做成小球(圖3)，實(shí)驗(yàn)效果不如錫箔片和導(dǎo)電紙，但多次操作后也能成功.

(3)改變?nèi)‰姺绞?

一般中學(xué)實(shí)驗(yàn)室都有范式起電機(jī)和感應(yīng)起電機(jī)，筆者嘗試將范式起電機(jī)接通電源后直接靠近懸掛的錫箔片，相互接觸后帶同種電荷且絲線與豎著方向有明顯偏角，但是實(shí)驗(yàn)中想改變電荷量比較困難，僅能說(shuō)明庫(kù)侖力F與間距r的關(guān)系，實(shí)驗(yàn)不完整.

使用感應(yīng)起電機(jī)就能較好的解決這個(gè)問(wèn)題，搖動(dòng)手柄后兩帶電小球上就帶有大量電荷，接觸錫箔片帶上同種電荷后，能調(diào)節(jié)距離r，也能通過(guò)用不帶電的金屬球與放電球接觸來(lái)改變小球電荷量，效果非常好，但是感應(yīng)起電機(jī)對(duì)環(huán)境要求較高，空氣潮濕則很難成功.

一次偶然的機(jī)會(huì)，用絲綢摩擦過(guò)的玻璃棒靠經(jīng)錫箔片時(shí)發(fā)現(xiàn)，錫箔片接觸玻璃棒后帶上同種電荷，相互排斥的效果很明顯，懸掛錫箔片的絲線偏角較大，受此啟發(fā)，筆者將演示實(shí)驗(yàn)改成了學(xué)生探究實(shí)驗(yàn)，每個(gè)小組可以通過(guò)這種方式取電.

(4)實(shí)驗(yàn)環(huán)境的要求.

圖4

課前教師在準(zhǔn)備室反復(fù)實(shí)驗(yàn)，效果都不錯(cuò)，但是上課時(shí)真正讓學(xué)生動(dòng)手操作就發(fā)現(xiàn)大部分小組的實(shí)驗(yàn)都沒(méi)有成功，經(jīng)過(guò)分析原因是教室環(huán)境太潮濕，電荷很快就流失了.為了保證環(huán)境的干燥，就在每組配了1只白熾燈(如圖4所示)，上課前對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器烘烤一段時(shí)間，并用吹風(fēng)機(jī)的熱風(fēng)檔對(duì)起電機(jī)吹一段時(shí)間.并在實(shí)驗(yàn)室的幾個(gè)角落撒上洗衣粉或者干石灰以除去空氣的水汽.

當(dāng)然有條件的實(shí)驗(yàn)室可以配備專業(yè)的除濕設(shè)備，并且在實(shí)驗(yàn)前就開啟1h，正式實(shí)驗(yàn)時(shí)要關(guān)掉設(shè)備的電源，以保證實(shí)驗(yàn)過(guò)程中室內(nèi)沒(méi)有風(fēng)，因?yàn)閼覓斓腻a箔片等有輕微的空氣流動(dòng)就會(huì)晃動(dòng)，影響實(shí)驗(yàn)效果.

使用的金屬球表面的光潔程度也是影響帶電荷量的因數(shù)之一，所以實(shí)驗(yàn)前還要用棉球蘸酒精擦拭金屬球，以保持金屬球表面的光潔.

(5)其他方面的誤差.

實(shí)驗(yàn)時(shí)讓學(xué)生觀察移動(dòng)過(guò)程中的錫箔片與豎直方向夾角的變化是不科學(xué)的實(shí)驗(yàn)操作.首先，對(duì)坐在不同位置的學(xué)生，實(shí)驗(yàn)的直觀性不同，無(wú)法達(dá)到應(yīng)有效果;其次，錫箔片質(zhì)量太小，會(huì)因?yàn)閷W(xué)生走動(dòng)產(chǎn)生的空氣流動(dòng)而晃動(dòng).人體經(jīng)起電機(jī)充電后帶有大量電荷，對(duì)小球的作用力不可忽略.

1 于朋杰，韓建志.庫(kù)侖定律定性演示實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)與制作［J］.物理教師，1999(5):28.

2 王雪彬.對(duì)人教版3-1“庫(kù)侖定律”演示實(shí)驗(yàn)的深入思考［J］.物理教師，2013(9):62.