“庫侖定律”定量實驗的改進

劉成剛

(青海省海東市平安區第一高級中學，青海 海東 810600)

·實驗研究·

“庫侖定律”定量實驗的改進

本文系青海省教育科學“十三五”規劃課題“基于海東市理科學業質量提升的研究”(編號：16QJG10)的研究成果之一.

劉成剛

(青海省海東市平安區第一高級中學，青海 海東 810600)

“庫侖定律”的定量實驗難度較大，筆者通過改進相互作用的兩帶電體的制作，提高了讀數準確度和快捷性，并探索了光源與帶電體及投影屏間合適的間距，實驗取得很好的效果.

庫侖定律；定量實驗；改進

1 人教版教師教學用書中實驗方法及其存在問題

圖1

其中存在的問題如下：(1) 書中指導的輕導體小球制作方法，在沒有特殊工具的情況下，均勻地磨薄很難做到；(2) 懸掛的輕導體帶電小球A(電擺)的偏移量過小，投影后因兩小球A、B的體積過大，不易讀準兩帶電體之間的距離r和偏移量d，讀數的相對誤差較大；(3) 帶電球B與電擺A的距離不易控制；(4) 電擺A易受氣流影響而不穩定；(5) 因讀數時間較長，電荷流失較多．

2 實驗改進

(1) 電擺A可用硬泡沫塑料制作，直徑大約2cm，用4B鉛筆在小球表面均勻涂黑即可．另兩只絕緣導電球B和C，可用熱熔膠將乒乓球與空的中性塑料筆芯焊接，表面涂碳素墨水或用4B鉛筆均勻涂黑，由于此導體球的體積較大，可以帶上較多的電荷．加之硬泡沫塑料很輕，可使電擺A偏移量較大．

(2) 如圖2所示，把絕緣導體球B固定在軌道小車上，讓小車在軌道上運行，以方便調節電擺A和導體球B之間的距離．

圖2

(3) 為了快捷讀數，可以自制一個如圖3所示的薄塑料透明刻線標尺，貼到毛玻璃上，靜電擺不受靜電力而平衡時，其擺線投影與0豎刻線重合．在0刻線左右的等間隔長刻度線依次標為-1、1，-2、2，-3，3……，其間隔為10mm．短刻線表示半格，改變兩球距離，使電擺偏至-0.5、-1、-1.5、-2……．零刻線兩邊的A、B投影位置讀數數值之和即為電擺A和帶電球B之間的距離．為進一步減少放電時間，零刻線右邊的位置可以先不記錄，可通過實時錄像之后再做數據記錄和處理．

(4) 為了減少讀數誤差，電擺讀數位置可以用擺線最下端點的投影與刻線的交叉點作為讀數點；針對小球B位置讀數，可在其最上端用熱熔膠粘一小尖點，尖端投影與刻線的重合位置作為讀數點．

圖3

(5) 為防止氣流干擾，可以用適當大小的箱子，把實驗儀器罩起來，箱子上面開兩平行槽、供伸入靜電擺的雙線，箱子后面開孔、供燈光射入，箱子一側開孔、以控制小車，箱子前面嵌入毛玻璃、以投影帶電體位置．

3 改進后的實驗效果

在制作的箱體內(約長65cm，寬45cm)進行驗證，靜電擺A的擺長為40cm，用雙線懸掛在水平有機玻璃棒上固定，線光源取“11V，21W”燈泡，光源距離靜電擺A為35cm，A離毛玻璃距離為27cm，用毛皮與橡膠棒摩擦，使靜電擺A帶電一次，導體球B帶電3到4次，當兩帶電體的投影距離為20cm以上，A的水平偏移量投影為1.0cm時(即-1處)，即可進行實驗．A偏移量每增加半格(0.5cm)，記錄一次數據．兩帶電體的投影距離不能低于8cm．多次實驗結果表明：A的水平偏移量d與兩帶電體距離平方的倒數1/r2有很好的線性關系，從而較好地驗證了靜電力與距離平方成反比的結論．表1是在箱體內進行實驗時記錄的一組數據，其d-1/r2圖像如圖4所示.

表1 電擺的水平偏移量d與兩帶電體距離r的關系

圖4

在驗證靜電力F與電荷量q成正比時，可讓(與球B形狀相同的)不帶電的絕緣導體球C與帶電的導體球B多次相碰，也得到了很好的驗證．

[1] 人民教育出版社，課程教材研究所，物理課程教材研究開發中心.普通高中標準實驗教科書物理(選修3-1)教師教學用書[M].北京：人民教育出版社，2010：56-59.

[2] 安忠，劉炳升.中學物理實驗研究[M].北京：高等教育出版社，1986：88.

[3] 人民教育出版社物理室.高級中學物理第二冊(必修)教學參考書[M].北京：人民教育出版社，1995：16.