也谈电摆法探究库仑定律的实验设计思想与建议*

马朱林

(苏州实验中学 江苏 苏州 215011)

也谈电摆法探究库仑定律的实验设计思想与建议*

马朱林

(苏州实验中学 江苏 苏州 215011)

通过研读文献并运用电摆实验装置进行反复试验、改进，最终总结出实验原理简单、可操作性强、成功概率高的实验设计，并提炼出实验设计中所涉的物理思想和注意点，形成此文，以飨读者.

库仑定律 设计思想 近似思想

1 问题的提出

在现行人教版《物理·选修3-1》第一章第二节“库仑定律”教学中，由于静电实验对环境的严苛和成功概率较低的原因，不少教师会选择播放视频或动画模拟来替代现场演示实验，若学校有库仑扭秤，教师也会优先选用现成的库仑扭秤做演示实验.虽有不少文献对该实验探究提供了实验设计方案，但笔者按照文献提供的方案进行实验后发现，大部分实验方案在实际实验时其实验结果与预设相差甚远，甚至无法呈现文献中所描述的实验现象.无论是《物理课程标准(实验)》中三维目标提出的“过程与方法”，还是即将推行的“物理核心素养”中提出的“科学探究”，其共同点都是着重强调“学生的物理观念、方法、思想的构建是在教师的引领下通过自主、探究、合作、活动的学习方式形成的”，“探究”依然是物理教学的核心理念.实验探究是科学探究的重要组成部分，对于以实验为基础的物理学科显得尤为重要.用视频和动画替代现场演示实验的缺陷就是学生无法直接参与实验设计和操作，缺乏真实性和说服力；用现成的库仑扭秤做演示实验虽具真实性，但实验原理和设计思想并非源自学生，而且实验原理中涉及学生没有接触过的力矩、扭力矩、力矩平衡等物理概念和原理，而这些概念、原理并非本节所要求的内容，加重了学生思维负担和理解难度.

学生通过阅读教材文本“探究影响电荷间相互作用的因素”后会很自然地联想到通过运用电摆装置进行库仑定律的实验探究.但是，要做好电摆实验必须解决好3个问题：

(2)摆球的制作及带电；

(3)库仑力的定量测量.

干燥的环境可以通过空调长时间抽湿和大功率灯泡加温来实现，然而(2)、(3)两个问题的解决确实存在不少困难.

笔者查阅了大量的文献资料并按照文献所提供的方法逐一实验，其结果令笔者惊诧：一部分实验所呈现的现象差强人意，误差很大，而另一部分实验根本无法出现文献中所描述的实验现象.为此，笔者通过研读文献并运用如图1所示的电摆实验装置进行反复试验、改进，最终总结出实验原理简单易懂、可操作性强且成功概率较高的实验设计，并形成此文，以飨读者.

图1 电摆实验装置

2 实验设计的思想和方法

实验的开发如同一项发明，由原理设计和技术试验两个部分构成，原理设计是最关键的部分.而原理设计中包含实验设计目标、设计思想和设计方法，其中实验设计思想和方法又是重中之重，是实验开发最核心的内容.物理实验的设计中必须体现物理思想和物理方法，这不仅是实验设计的需求，也是物理教学的要求.物理教学的目的是什么？是以物理知识为载体将物理思想和物理方法根植于学生心中，学生能灵活运用物理思想和方法去解决其他问题，尤其是物理学科以外的问题.运用电摆装置探究库仑定律的实验设计中主要运用了3种物理思想方法.

(1)控制变量法

下面先对2度点的色集合进行讨论,由染色算法,点u03,u05,…,u0(2n+1),um4,um6,…,um(2n),um1以及点us(2n+2), us1(s=2,4,…,m-2)的色集合均可相互区分且它们的色集合均由不超过k的颜色组成可设其中1

(2)倍增半分思想

(3) 近似思想

在运用如图1所示的电摆装置探究库仑定律时，通过测量金箔筒的质量m和摆角θ，巧用三力平衡原理可达到测量库仑力F的目的.对带电金箔筒进行如图2所示的受力分析，通过库仑力F和金箔筒的重力mg之间的几何关系，即可得到金箔筒所受库仑力F=mgtanθ．

图2 带电金箔筒的受力分析图

探究r不变库仑力F和电荷量q之间的定量关系时，当其中一个带电体的电荷量减半时，两带电体间的库仑力也随之减半，那么，金箔筒的摆角也当相应减小.然而，当金箔筒摆角减小时，金属球与金箔筒的间距r也会作相应改变，这违背了“r不变”的前提，为实验所不容许的.而且，随着摆角的大幅度变小，难以保证金箔筒受到的库仑力在水平方向，F=mgtanθ的关系就不能成立.为了解决以上两个难题，笔者将金箔筒的摆角θ设计得很小，使得最大摆角值不超过10°，当库仑力减小时，金箔筒摆角亦随之减小，但是由于摆角的改变量Δθ很小，故金箔筒与金属球球心之间距离的改变量Δr也极小，相对于r而言可忽略不计，其所受到的库仑力F依然可视作水平方向，所以，当金箔筒平衡时，其受到的库仑力F与重力mg之间依然满足关系式F=mgtanθ.

当θ很小时，tanθ≈θ，故有F=mgθ(θ用弧度制表示).当带电体或带电金箔筒的电荷量减半时，其库仑力也随之减半，其实验现象直接表现为摆角减半，这样就可以直接通过测量摆角来判断库仑力的大小变化，使得库仑力的定量测量更直接、直观，操作性更强、更简便.

3 实验器材的优选

运用电摆法探究库仑定律的实验中，器材的选择至关重要，对整个实验的成功与否起着决定性的作用.笔者将文献[1～3]中提供的器材和方法逐个试验，归结出如下不足并作出改进.

(1)文献[1]中建议将涂蜡的鱼线作为摆线.在实验操作时，由于鱼线本身的泛性形变能力较强，柔软性不够，涂上蜡层后会进一步减弱其柔性.较短的鱼线本身具有一定的弧度，且因将泡沫小球(文献[1]中提议的实验器材)作为带电体，质量较小，难以将鱼线拉直，故难以形成电摆.

笔者尝试了几种细线后，最终选择了腈纶绣花线，并且将一根绣花线分成4股，选择其中一股作为摆线.绣花线的优点是柔软度和绝缘性能均很好，且质量很轻.

(2)文献[1,3]中建议用小刀将泡沫削成一个小球，再将铅笔芯屑或碳素墨水粘在小球表面从而形成电摆.以上操作存在两大缺陷：一个是用刀削成的泡沫小球难成球形，且表面粗糙，铅笔芯屑粘在球面上很难做到厚薄均匀；另一个是铅笔芯屑带电不易，更加难以做到保持电荷量不变，碳素墨水根本无法带电.文献[2]提出用两片圆形金属箔制作成双线摆，其虽易带电，但稳定性不够.

笔者在制作电摆时尝试了多种材质，如牛油纸(电容器中取得)、用墨粉代替铅笔芯屑等，经多次试验，发现以上材料均难以带上恒量电荷.经多次试验，最终选择金箔筒作为电摆，如图3所示.

图3 金箔筒

用金箔筒制作的电摆不仅带电容易，电荷量可在较长时间内保持不变，且稳定性好.具体制作如下：用一矩形锡箔绕在圆柱形铅笔上，制作成一个圆筒状，并将其系于绣花线一端.在卷制时，不要将锡箔弄皱，金箔筒下边沿要剪平.

4 实验操作的注意点

(1)保持环境和实验仪器干燥

在做实验之前将实验室空调打开并设置成抽湿模式，同时运用大功率灯泡照射实验仪器，使得整个实验环境和实验仪器处于干燥状态下.

(2)该实验对带电体的绝缘性要求特别高.在实验时必须要使得带电球形导体表面光滑，无任何污渍和锈迹.球形导体的绝缘柄要用丝绸拭擦干净，底座置于干净、干燥的泡沫板上或纯度较高的石蜡板上以保证球形导体不漏电.

(3)球形导体的带电方式有很多种，比较理想的方式是使用范式起电机给其带电.当然，在比较干燥的环境中，运用感应起电机给球形导体和金箔筒带电，其实验现象也是比较明显的，依然可以达到实验的目的和理想的效果.文献[1]中介绍了利用感应起电的方式让球形导体带电也是值得推崇的一种方法，但是在运用该方法时，务必让学生要弄清其物理原理和操作步骤，否则其实验效果也会适得其反.

(4)在运用电荷减半法让球形导体和金箔筒电荷量减半时，务必使得两个球形导体及两个金箔筒相同，否则难以实现电荷等分而产生很大的实验误差，反而会让实验定律失信于学生.

5 结束语

首都师范大学邢红军教授认为，我们的物理教学中既不缺少物理知识，也不缺少获取物理知识的方法和途径，缺乏的是物理思想的教学.笔者认为，物理思想的呈现不仅要根植于物理理论探究，实验探究中的实验设计思想也应在物理思想的指导下形成，让学生在实验设计和实验演示中深刻体会到物理思想对设计原理的主导作用.在用电摆法进行库仑定律的实验设计过程中，让学生深刻体会控制变量法对研究多个物理量之间的定量关系之必然，让学生感叹于倍增减半思想研究无法精确测量的物理量间定量关系和近似思想研究微变物理量之巧妙，并能将这些思想方法灵活运用到解决其他物理问题上，这才是物理核心素养的真正体现，也是物理教育者的企望.

1 居津.对“探究影响电荷间相互作用力的因素”演示实验的一点建议.物理教师，2015(2):48

2 路文梅.库仑定律实验的简易方案.物理教学探讨，2008(1):10

3 吴廷民.验证库仑定律的学生实验.物理教学，1988(1):18

4 邢红军.论物理思想的教育价值及其启示.课程与教学，2016(8):61

5 马朱林.巧用类比法突破抽象定律教学的难点——以“库仑定律”的教学为例.中学物理教学参考，2016(7):29

2017-04-14)

**江苏省“十三五”规划课题“基于核心素养的普通高中学校课程优化统整的研究” 研究成果之一,项目编号:B-b/2016/02/63