“库仑定律”定量实验的改进

刘成刚

(青海省海东市平安区第一高级中学，青海 海东 810600)

·实验研究·

“库仑定律”定量实验的改进

本文系青海省教育科学“十三五”规划课题“基于海东市理科学业质量提升的研究”(编号：16QJG10)的研究成果之一.

刘成刚

(青海省海东市平安区第一高级中学，青海 海东 810600)

“库仑定律”的定量实验难度较大，笔者通过改进相互作用的两带电体的制作，提高了读数准确度和快捷性，并探索了光源与带电体及投影屏间合适的间距，实验取得很好的效果.

库仑定律；定量实验；改进

1 人教版教师教学用书中实验方法及其存在问题

图1

其中存在的问题如下：(1) 书中指导的轻导体小球制作方法，在没有特殊工具的情况下，均匀地磨薄很难做到；(2) 悬挂的轻导体带电小球A(电摆)的偏移量过小，投影后因两小球A、B的体积过大，不易读准两带电体之间的距离r和偏移量d，读数的相对误差较大；(3) 带电球B与电摆A的距离不易控制；(4) 电摆A易受气流影响而不稳定；(5) 因读数时间较长，电荷流失较多．

2 实验改进

(1) 电摆A可用硬泡沫塑料制作，直径大约2cm，用4B铅笔在小球表面均匀涂黑即可．另两只绝缘导电球B和C，可用热熔胶将乒乓球与空的中性塑料笔芯焊接，表面涂碳素墨水或用4B铅笔均匀涂黑，由于此导体球的体积较大，可以带上较多的电荷．加之硬泡沫塑料很轻，可使电摆A偏移量较大．

(2) 如图2所示，把绝缘导体球B固定在轨道小车上，让小车在轨道上运行，以方便调节电摆A和导体球B之间的距离．

图2

(3) 为了快捷读数，可以自制一个如图3所示的薄塑料透明刻线标尺，贴到毛玻璃上，静电摆不受静电力而平衡时，其摆线投影与0竖刻线重合．在0刻线左右的等间隔长刻度线依次标为-1、1，-2、2，-3，3……，其间隔为10mm．短刻线表示半格，改变两球距离，使电摆偏至-0.5、-1、-1.5、-2……．零刻线两边的A、B投影位置读数数值之和即为电摆A和带电球B之间的距离．为进一步减少放电时间，零刻线右边的位置可以先不记录，可通过实时录像之后再做数据记录和处理．

(4) 为了减少读数误差，电摆读数位置可以用摆线最下端点的投影与刻线的交叉点作为读数点；针对小球B位置读数，可在其最上端用热熔胶粘一小尖点，尖端投影与刻线的重合位置作为读数点．

图3

(5) 为防止气流干扰，可以用适当大小的箱子，把实验仪器罩起来，箱子上面开两平行槽、供伸入静电摆的双线，箱子后面开孔、供灯光射入，箱子一侧开孔、以控制小车，箱子前面嵌入毛玻璃、以投影带电体位置．

3 改进后的实验效果

在制作的箱体内(约长65cm，宽45cm)进行验证，静电摆A的摆长为40cm，用双线悬挂在水平有机玻璃棒上固定，线光源取“11V，21W”灯泡，光源距离静电摆A为35cm，A离毛玻璃距离为27cm，用毛皮与橡胶棒摩擦，使静电摆A带电一次，导体球B带电3到4次，当两带电体的投影距离为20cm以上，A的水平偏移量投影为1.0cm时(即-1处)，即可进行实验．A偏移量每增加半格(0.5cm)，记录一次数据．两带电体的投影距离不能低于8cm．多次实验结果表明：A的水平偏移量d与两带电体距离平方的倒数1/r2有很好的线性关系，从而较好地验证了静电力与距离平方成反比的结论．表1是在箱体内进行实验时记录的一组数据，其d-1/r2图像如图4所示.

表1 电摆的水平偏移量d与两带电体距离r的关系

图4

在验证静电力F与电荷量q成正比时，可让(与球B形状相同的)不带电的绝缘导体球C与带电的导体球B多次相碰，也得到了很好的验证．

[1] 人民教育出版社，课程教材研究所，物理课程教材研究开发中心.普通高中标准实验教科书物理(选修3-1)教师教学用书[M].北京：人民教育出版社，2010：56-59.

[2] 安忠，刘炳升.中学物理实验研究[M].北京：高等教育出版社，1986：88.

[3] 人民教育出版社物理室.高级中学物理第二册(必修)教学参考书[M].北京：人民教育出版社，1995：16.