“庫(kù)侖定律”定量實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)

劉成剛

(青海省海東市平安區(qū)第一高級(jí)中學(xué)，青海 海東 810600)

·實(shí)驗(yàn)研究·

“庫(kù)侖定律”定量實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)

本文系青海省教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃課題“基于海東市理科學(xué)業(yè)質(zhì)量提升的研究”(編號(hào)：16QJG10)的研究成果之一.

劉成剛

(青海省海東市平安區(qū)第一高級(jí)中學(xué)，青海 海東 810600)

“庫(kù)侖定律”的定量實(shí)驗(yàn)難度較大，筆者通過(guò)改進(jìn)相互作用的兩帶電體的制作，提高了讀數(shù)準(zhǔn)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(shí)驗(yàn)取得很好的效果.

庫(kù)侖定律；定量實(shí)驗(yàn)；改進(jìn)

1 人教版教師教學(xué)用書(shū)中實(shí)驗(yàn)方法及其存在問(wèn)題

圖1

其中存在的問(wèn)題如下：(1) 書(shū)中指導(dǎo)的輕導(dǎo)體小球制作方法，在沒(méi)有特殊工具的情況下，均勻地磨薄很難做到；(2) 懸掛的輕導(dǎo)體帶電小球A(電擺)的偏移量過(guò)小，投影后因兩小球A、B的體積過(guò)大，不易讀準(zhǔn)兩帶電體之間的距離r和偏移量d，讀數(shù)的相對(duì)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(wěn)定；(5) 因讀數(shù)時(shí)間較長(zhǎng)，電荷流失較多．

2 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

(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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)體球B固定在軌道小車上，讓小車在軌道上運(yùn)行，以方便調(diào)節(jié)電擺A和導(dǎo)體球B之間的距離．

圖2

(3) 為了快捷讀數(shù)，可以自制一個(gè)如圖3所示的薄塑料透明刻線標(biāo)尺，貼到毛玻璃上，靜電擺不受靜電力而平衡時(shí)，其擺線投影與0豎刻線重合．在0刻線左右的等間隔長(zhǎng)刻度線依次標(biāo)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(shù)數(shù)值之和即為電擺A和帶電球B之間的距離．為進(jìn)一步減少放電時(shí)間，零刻線右邊的位置可以先不記錄，可通過(guò)實(shí)時(shí)錄像之后再做數(shù)據(jù)記錄和處理．

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

圖3

(5) 為防止氣流干擾，可以用適當(dāng)大小的箱子，把實(shí)驗(yàn)儀器罩起來(lái)，箱子上面開(kāi)兩平行槽、供伸入靜電擺的雙線，箱子后面開(kāi)孔、供燈光射入，箱子一側(cè)開(kāi)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(jìn)后的實(shí)驗(yàn)效果

在制作的箱體內(nèi)(約長(zhǎng)65cm，寬45cm)進(jìn)行驗(yàn)證，靜電擺A的擺長(zhǎng)為40cm，用雙線懸掛在水平有機(jī)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(dǎo)體球B帶電3到4次，當(dāng)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(shí)(即-1處)，即可進(jìn)行實(shí)驗(yàn)．A偏移量每增加半格(0.5cm)，記錄一次數(shù)據(jù)．兩帶電體的投影距離不能低于8cm．多次實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：A的水平偏移量d與兩帶電體距離平方的倒數(shù)1/r2有很好的線性關(guān)系，從而較好地驗(yàn)證了靜電力與距離平方成反比的結(jié)論．表1是在箱體內(nèi)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)記錄的一組數(shù)據(jù)，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(guān)系

圖4

在驗(yàn)證靜電力F與電荷量q成正比時(shí)，可讓(與球B形狀相同的)不帶電的絕緣導(dǎo)體球C與帶電的導(dǎo)體球B多次相碰，也得到了很好的驗(yàn)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(kāi)發(fā)中心.普通高中標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書(shū)物理(選修3-1)教師教學(xué)用書(shū)[M].北京：人民教育出版社，2010：56-59.

[2] 安忠，劉炳升.中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)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(jí)中學(xué)物理第二冊(cè)(必修)教學(xué)參考書(shū)[M].北京：人民教育出版社，1995：16.