也談電擺法探究庫(kù)侖定律的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思想與建議*

馬朱林

(蘇州實(shí)驗(yàn)中學(xué) 江蘇 蘇州 215011)

也談電擺法探究庫(kù)侖定律的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思想與建議*

馬朱林

(蘇州實(shí)驗(yàn)中學(xué) 江蘇 蘇州 215011)

通過研讀文獻(xiàn)并運(yùn)用電擺實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行反復(fù)試驗(yàn)、改進(jìn)，最終總結(jié)出實(shí)驗(yàn)原理簡(jiǎn)單、可操作性強(qiáng)、成功概率高的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，并提煉出實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中所涉的物理思想和注意點(diǎn)，形成此文，以饗讀者.

庫(kù)侖定律 設(shè)計(jì)思想 近似思想

1 問題的提出

在現(xiàn)行人教版《物理·選修3-1》第一章第二節(jié)“庫(kù)侖定律”教學(xué)中，由于靜電實(shí)驗(yàn)對(duì)環(huán)境的嚴(yán)苛和成功概率較低的原因，不少教師會(huì)選擇播放視頻或動(dòng)畫模擬來替代現(xiàn)場(chǎng)演示實(shí)驗(yàn)，若學(xué)校有庫(kù)侖扭秤，教師也會(huì)優(yōu)先選用現(xiàn)成的庫(kù)侖扭秤做演示實(shí)驗(yàn).雖有不少文獻(xiàn)對(duì)該實(shí)驗(yàn)探究提供了實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，但筆者按照文獻(xiàn)提供的方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，大部分實(shí)驗(yàn)方案在實(shí)際實(shí)驗(yàn)時(shí)其實(shí)驗(yàn)結(jié)果與預(yù)設(shè)相差甚遠(yuǎn)，甚至無法呈現(xiàn)文獻(xiàn)中所描述的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象.無論是《物理課程標(biāo)準(zhǔn)(實(shí)驗(yàn))》中三維目標(biāo)提出的“過程與方法”，還是即將推行的“物理核心素養(yǎng)”中提出的“科學(xué)探究”，其共同點(diǎn)都是著重強(qiáng)調(diào)“學(xué)生的物理觀念、方法、思想的構(gòu)建是在教師的引領(lǐng)下通過自主、探究、合作、活動(dòng)的學(xué)習(xí)方式形成的”，“探究”依然是物理教學(xué)的核心理念.實(shí)驗(yàn)探究是科學(xué)探究的重要組成部分，對(duì)于以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的物理學(xué)科顯得尤為重要.用視頻和動(dòng)畫替代現(xiàn)場(chǎng)演示實(shí)驗(yàn)的缺陷就是學(xué)生無法直接參與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和操作，缺乏真實(shí)性和說服力；用現(xiàn)成的庫(kù)侖扭秤做演示實(shí)驗(yàn)雖具真實(shí)性，但實(shí)驗(yàn)原理和設(shè)計(jì)思想并非源自學(xué)生，而且實(shí)驗(yàn)原理中涉及學(xué)生沒有接觸過的力矩、扭力矩、力矩平衡等物理概念和原理，而這些概念、原理并非本節(jié)所要求的內(nèi)容，加重了學(xué)生思維負(fù)擔(dān)和理解難度.

學(xué)生通過閱讀教材文本“探究影響電荷間相互作用的因素”后會(huì)很自然地聯(lián)想到通過運(yùn)用電擺裝置進(jìn)行庫(kù)侖定律的實(shí)驗(yàn)探究.但是，要做好電擺實(shí)驗(yàn)必須解決好3個(gè)問題：

(2)擺球的制作及帶電；

(3)庫(kù)侖力的定量測(cè)量.

干燥的環(huán)境可以通過空調(diào)長(zhǎng)時(shí)間抽濕和大功率燈泡加溫來實(shí)現(xiàn)，然而(2)、(3)兩個(gè)問題的解決確實(shí)存在不少困難.

筆者查閱了大量的文獻(xiàn)資料并按照文獻(xiàn)所提供的方法逐一實(shí)驗(yàn)，其結(jié)果令筆者驚詫：一部分實(shí)驗(yàn)所呈現(xiàn)的現(xiàn)象差強(qiáng)人意，誤差很大，而另一部分實(shí)驗(yàn)根本無法出現(xiàn)文獻(xiàn)中所描述的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象.為此，筆者通過研讀文獻(xiàn)并運(yùn)用如圖1所示的電擺實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行反復(fù)試驗(yàn)、改進(jìn)，最終總結(jié)出實(shí)驗(yàn)原理簡(jiǎn)單易懂、可操作性強(qiáng)且成功概率較高的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，并形成此文，以饗讀者.

圖1 電擺實(shí)驗(yàn)裝置

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的思想和方法

實(shí)驗(yàn)的開發(fā)如同一項(xiàng)發(fā)明，由原理設(shè)計(jì)和技術(shù)試驗(yàn)兩個(gè)部分構(gòu)成，原理設(shè)計(jì)是最關(guān)鍵的部分.而原理設(shè)計(jì)中包含實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)、設(shè)計(jì)思想和設(shè)計(jì)方法，其中實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思想和方法又是重中之重，是實(shí)驗(yàn)開發(fā)最核心的內(nèi)容.物理實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)中必須體現(xiàn)物理思想和物理方法，這不僅是實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的需求，也是物理教學(xué)的要求.物理教學(xué)的目的是什么？是以物理知識(shí)為載體將物理思想和物理方法根植于學(xué)生心中，學(xué)生能靈活運(yùn)用物理思想和方法去解決其他問題，尤其是物理學(xué)科以外的問題.運(yùn)用電擺裝置探究庫(kù)侖定律的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中主要運(yùn)用了3種物理思想方法.

(1)控制變量法

下面先對(duì)2度點(diǎn)的色集合進(jìn)行討論,由染色算法,點(diǎn)u03,u05,…,u0(2n+1),um4,um6,…,um(2n),um1以及點(diǎn)us(2n+2), us1(s=2,4,…,m-2)的色集合均可相互區(qū)分且它們的色集合均由不超過k的顏色組成可設(shè)其中1

(2)倍增半分思想

(3) 近似思想

在運(yùn)用如圖1所示的電擺裝置探究庫(kù)侖定律時(shí)，通過測(cè)量金箔筒的質(zhì)量m和擺角θ，巧用三力平衡原理可達(dá)到測(cè)量庫(kù)侖力F的目的.對(duì)帶電金箔筒進(jìn)行如圖2所示的受力分析，通過庫(kù)侖力F和金箔筒的重力mg之間的幾何關(guān)系，即可得到金箔筒所受庫(kù)侖力F=mgtanθ．

圖2 帶電金箔筒的受力分析圖

探究r不變庫(kù)侖力F和電荷量q之間的定量關(guān)系時(shí)，當(dāng)其中一個(gè)帶電體的電荷量減半時(shí)，兩帶電體間的庫(kù)侖力也隨之減半，那么，金箔筒的擺角也當(dāng)相應(yīng)減小.然而，當(dāng)金箔筒擺角減小時(shí)，金屬球與金箔筒的間距r也會(huì)作相應(yīng)改變，這違背了“r不變”的前提，為實(shí)驗(yàn)所不容許的.而且，隨著擺角的大幅度變小，難以保證金箔筒受到的庫(kù)侖力在水平方向，F(xiàn)=mgtanθ的關(guān)系就不能成立.為了解決以上兩個(gè)難題，筆者將金箔筒的擺角θ設(shè)計(jì)得很小，使得最大擺角值不超過10°，當(dāng)庫(kù)侖力減小時(shí)，金箔筒擺角亦隨之減小，但是由于擺角的改變量Δθ很小，故金箔筒與金屬球球心之間距離的改變量Δr也極小，相對(duì)于r而言可忽略不計(jì)，其所受到的庫(kù)侖力F依然可視作水平方向，所以，當(dāng)金箔筒平衡時(shí)，其受到的庫(kù)侖力F與重力mg之間依然滿足關(guān)系式F=mgtanθ.

當(dāng)θ很小時(shí)，tanθ≈θ，故有F=mgθ(θ用弧度制表示).當(dāng)帶電體或帶電金箔筒的電荷量減半時(shí)，其庫(kù)侖力也隨之減半，其實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象直接表現(xiàn)為擺角減半，這樣就可以直接通過測(cè)量擺角來判斷庫(kù)侖力的大小變化，使得庫(kù)侖力的定量測(cè)量更直接、直觀，操作性更強(qiáng)、更簡(jiǎn)便.

3 實(shí)驗(yàn)器材的優(yōu)選

運(yùn)用電擺法探究庫(kù)侖定律的實(shí)驗(yàn)中，器材的選擇至關(guān)重要，對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)的成功與否起著決定性的作用.筆者將文獻(xiàn)[1～3]中提供的器材和方法逐個(gè)試驗(yàn)，歸結(jié)出如下不足并作出改進(jìn).

(1)文獻(xiàn)[1]中建議將涂蠟的魚線作為擺線.在實(shí)驗(yàn)操作時(shí)，由于魚線本身的泛性形變能力較強(qiáng)，柔軟性不夠，涂上蠟層后會(huì)進(jìn)一步減弱其柔性.較短的魚線本身具有一定的弧度，且因?qū)⑴菽∏?文獻(xiàn)[1]中提議的實(shí)驗(yàn)器材)作為帶電體，質(zhì)量較小，難以將魚線拉直，故難以形成電擺.

筆者嘗試了幾種細(xì)線后，最終選擇了腈綸繡花線，并且將一根繡花線分成4股，選擇其中一股作為擺線.繡花線的優(yōu)點(diǎn)是柔軟度和絕緣性能均很好，且質(zhì)量很輕.

(2)文獻(xiàn)[1,3]中建議用小刀將泡沫削成一個(gè)小球，再將鉛筆芯屑或碳素墨水粘在小球表面從而形成電擺.以上操作存在兩大缺陷：一個(gè)是用刀削成的泡沫小球難成球形，且表面粗糙，鉛筆芯屑粘在球面上很難做到厚薄均勻；另一個(gè)是鉛筆芯屑帶電不易，更加難以做到保持電荷量不變，碳素墨水根本無法帶電.文獻(xiàn)[2]提出用兩片圓形金屬箔制作成雙線擺，其雖易帶電，但穩(wěn)定性不夠.

筆者在制作電擺時(shí)嘗試了多種材質(zhì)，如牛油紙(電容器中取得)、用墨粉代替鉛筆芯屑等，經(jīng)多次試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)以上材料均難以帶上恒量電荷.經(jīng)多次試驗(yàn)，最終選擇金箔筒作為電擺，如圖3所示.

圖3 金箔筒

用金箔筒制作的電擺不僅帶電容易，電荷量可在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持不變，且穩(wěn)定性好.具體制作如下：用一矩形錫箔繞在圓柱形鉛筆上，制作成一個(gè)圓筒狀，并將其系于繡花線一端.在卷制時(shí)，不要將錫箔弄皺，金箔筒下邊沿要剪平.

4 實(shí)驗(yàn)操作的注意點(diǎn)

(1)保持環(huán)境和實(shí)驗(yàn)儀器干燥

在做實(shí)驗(yàn)之前將實(shí)驗(yàn)室空調(diào)打開并設(shè)置成抽濕模式，同時(shí)運(yùn)用大功率燈泡照射實(shí)驗(yàn)儀器，使得整個(gè)實(shí)驗(yàn)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)儀器處于干燥狀態(tài)下.

(2)該實(shí)驗(yàn)對(duì)帶電體的絕緣性要求特別高.在實(shí)驗(yàn)時(shí)必須要使得帶電球形導(dǎo)體表面光滑，無任何污漬和銹跡.球形導(dǎo)體的絕緣柄要用絲綢拭擦干凈，底座置于干凈、干燥的泡沫板上或純度較高的石蠟板上以保證球形導(dǎo)體不漏電.

(3)球形導(dǎo)體的帶電方式有很多種，比較理想的方式是使用范式起電機(jī)給其帶電.當(dāng)然，在比較干燥的環(huán)境中，運(yùn)用感應(yīng)起電機(jī)給球形導(dǎo)體和金箔筒帶電，其實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象也是比較明顯的，依然可以達(dá)到實(shí)驗(yàn)的目的和理想的效果.文獻(xiàn)[1]中介紹了利用感應(yīng)起電的方式讓球形導(dǎo)體帶電也是值得推崇的一種方法，但是在運(yùn)用該方法時(shí)，務(wù)必讓學(xué)生要弄清其物理原理和操作步驟，否則其實(shí)驗(yàn)效果也會(huì)適得其反.

(4)在運(yùn)用電荷減半法讓球形導(dǎo)體和金箔筒電荷量減半時(shí)，務(wù)必使得兩個(gè)球形導(dǎo)體及兩個(gè)金箔筒相同，否則難以實(shí)現(xiàn)電荷等分而產(chǎn)生很大的實(shí)驗(yàn)誤差，反而會(huì)讓實(shí)驗(yàn)定律失信于學(xué)生.

5 結(jié)束語

首都師范大學(xué)邢紅軍教授認(rèn)為，我們的物理教學(xué)中既不缺少物理知識(shí)，也不缺少獲取物理知識(shí)的方法和途徑，缺乏的是物理思想的教學(xué).筆者認(rèn)為，物理思想的呈現(xiàn)不僅要根植于物理理論探究，實(shí)驗(yàn)探究中的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思想也應(yīng)在物理思想的指導(dǎo)下形成，讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)演示中深刻體會(huì)到物理思想對(duì)設(shè)計(jì)原理的主導(dǎo)作用.在用電擺法進(jìn)行庫(kù)侖定律的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)過程中，讓學(xué)生深刻體會(huì)控制變量法對(duì)研究多個(gè)物理量之間的定量關(guān)系之必然，讓學(xué)生感嘆于倍增減半思想研究無法精確測(cè)量的物理量間定量關(guān)系和近似思想研究微變物理量之巧妙，并能將這些思想方法靈活運(yùn)用到解決其他物理問題上，這才是物理核心素養(yǎng)的真正體現(xiàn)，也是物理教育者的企望.

1 居津.對(duì)“探究影響電荷間相互作用力的因素”演示實(shí)驗(yàn)的一點(diǎn)建議.物理教師，2015(2):48

2 路文梅.庫(kù)侖定律實(shí)驗(yàn)的簡(jiǎn)易方案.物理教學(xué)探討，2008(1):10

3 吳廷民.驗(yàn)證庫(kù)侖定律的學(xué)生實(shí)驗(yàn).物理教學(xué)，1988(1):18

4 邢紅軍.論物理思想的教育價(jià)值及其啟示.課程與教學(xué)，2016(8):61

5 馬朱林.巧用類比法突破抽象定律教學(xué)的難點(diǎn)——以“庫(kù)侖定律”的教學(xué)為例.中學(xué)物理教學(xué)參考，2016(7):29

2017-04-14)

**江蘇省“十三五”規(guī)劃課題“基于核心素養(yǎng)的普通高中學(xué)校課程優(yōu)化統(tǒng)整的研究” 研究成果之一,項(xiàng)目編號(hào):B-b/2016/02/63