庫侖定律定量實驗的探究與設計

倪鳳

[摘? ?要]庫侖定律是人教版教材選修3-1第一章第二節(jié)的內(nèi)容，是電學發(fā)展史上第一個定量規(guī)律，是高中物理核心規(guī)律之一。在教材定性實驗的基礎(chǔ)上，改進完善了該定律的“定量實驗”，讓學生經(jīng)歷問題與猜想、收集證據(jù)、交流等探究環(huán)節(jié)，使學生成為規(guī)律的“發(fā)現(xiàn)者”。同時，引發(fā)學生關(guān)于實驗數(shù)據(jù)偏差的思考，幫助學生樹立實事求是、追尋真理的科學信念。

[關(guān)鍵詞]庫侖定律;定量實驗;科學探究

[中圖分類號]? ? G633.7? ? ? ? [文獻標識碼]? ? A? ? ? ? [文章編號]? ? 1674-6058（2021）05-0057-02

一、教材實驗分析

庫侖定律反映了真空中點電荷之間的相互作用力和電荷量、距離之間的定量關(guān)系，教材中關(guān)于實驗的內(nèi)容特征為以下兩點。

1.教材回避了定量實驗方案，演示實驗為定性實驗：“探究影響電荷間相互作用力的因素”，如圖1所示。通過本實驗能夠直觀看出電荷量越大，相互作用力越大;距離越遠，相互作用力越小。課本之所以回避了定量實驗，是因為實驗難度很大，天氣潮濕程度、實驗材料、器材大小等諸多因素都會對實驗數(shù)據(jù)有非常大的影響。但是沒有定量實驗就少了規(guī)律探究步驟中最為核心的環(huán)節(jié)，所以教學設計時，首先要解決的就是“定量實驗”方案，使得規(guī)律不僅僅是課本中的黑體字，而是在科學探究中“自然生成”的。

2.課本著重介紹了庫侖實驗裝置以及在實驗過程中的困難處理，進而給出定量表達式，其中用“半分法”定量測量物理量之間的關(guān)系是非常重要的科學實驗方法。在定量實驗過程中也著重介紹和應用了該方法，并且讓學生進一步認識“實驗數(shù)據(jù)偏差”。

二、定量探究設計

1.問題

由前面的學習，我們知道自然界中有兩種電荷：正電荷和負電荷，且電荷之間存在相互作用力。電荷之間的作用力大小受哪些因素影響？遵循什么規(guī)律？根據(jù)生活現(xiàn)象和熟悉的實驗合理推測：電荷所帶電荷量q越大，相互作用力F就越大;電荷之間的距離r越大，力F就越小;對于定量關(guān)系的推測一定是從最簡單的關(guān)系開始，可以先假設F和q成正比，F(xiàn)和r成反比，即F和r的乘積為定值。

2.證據(jù)

（1）組建實驗裝置：實物圖和示意圖如圖2所示，絕緣細線一端拴包有錫箔紙的圓柱形小物體，另一端固定在量角器的圓心處，量角器與上方直尺固定相連，這部分裝置架在兩根豎直桿上，且能在水平方向上移動。大金屬球固定在絕緣支架上，支架可以在下方的水平木板上移動，實驗操作時讓兩個金屬物體帶上同種電荷，由于小物體受到排斥力，細線會偏離豎直方向一定的角度。

（2）F、r、q的定量測量。①庫侖力F的測量：由小物體的受力分析圖（圖3）可知，當小物體重力G一定時，它所受到的作用力F與[tanθ]成正比，當θ很小時，θ的弧度值與正切值近似相等，所以作用力F與θ成正比，可以用θ的測量來替代F的大小。即驗證F和r（或r2）成反比，就是驗證θ和r（或r2）成反比。②電荷間距離r的測量：由于小物體所帶的電荷量很少，所以我們近似地認為大金屬球所帶的電荷會在其表面均勻分布，測量距離r時，測量的是球中心位置到小物體的距離。為方便測量，可以將大金屬球的位置定為“零”刻度線，如圖4所示，那么它們之間的距離可以根據(jù)標識（標識隨著小物體的位置改變而改變，始終保持在小物體的正下方）直接讀數(shù);若根據(jù)實驗需要大金屬球不在零刻度線上，同樣也可以通過兩個刻度測量距離。③電荷量q的測量：筆者設計了如下的教學環(huán)節(jié)。

提問：在物理定量實驗中，有時候?qū)Σ环奖銣y量的物理量可以采用讓其“成倍”增加的方法探究定量關(guān)系，此方法在之前的探究過程中是否用過？如何用的？

回答：在探究“做功與動能變化”的實驗中運用過，通過用不同根數(shù)相同的橡皮筋對小車做功，得到W1、W2、W3……的變化，看動能的增加量。

講解：通過第一節(jié)課“電荷及其守恒定律”的學習，我們知道：將兩個完全相同的金屬球相碰，電荷量就會在這兩個金屬球之間平均分配，那么我們?nèi)绾味扛淖冞@個大金屬球所帶的電荷量呢？

回答：若讓一個金屬球帶上一定量的電荷q，再用一個和它完全一樣但不帶電的金屬球與之相碰，那么q就會平均分配，使每個球帶電q/2，放掉一個金屬球的電荷再次相碰，就可以得到q/4的電量，以此類推，可以得到q/8、q/16……

總結(jié)：這種“半分法”在定量實驗中，常用于不方便測量的物理量，給成比例定量關(guān)系的測量帶來了極大的方便。即驗證F和q成正比，就是驗證q逐漸減小時，θ是否成比例減小。

（3）操作實驗、處理數(shù)據(jù)、得出結(jié)論：給大金屬球和小物體帶上同種電荷，由于小物體受到排斥力，懸線偏開一定角度;保持大金屬球位置（零刻度線）不動，移動直尺和量角器，使小物體逐漸靠近大金屬球，將θ與r的數(shù)據(jù)收集在下列表格中，如表1中的實驗數(shù)據(jù)是課堂演示實驗的數(shù)據(jù)，可以看出在保留一位有效數(shù)字的情況下r2·θ更接近定值，即可感受到F與r2成反比。接下來觀察電荷量變?yōu)閝、q/2、q/4、q/8時偏角的大小，可以較為明顯地看到偏角減半的變化，記錄數(shù)據(jù)于表2中。

3.交流

定量實驗的數(shù)據(jù)雖然有偏差，但是課堂上有限的探究已經(jīng)使我們能感受到電荷之間的F與r2成反比、與電荷量q成正比，即可得出庫侖定律。那么科學家們的實驗數(shù)據(jù)是不是就是完美契合的呢？如表3所示。關(guān)于實驗偏差，筆者設計了如下教學環(huán)節(jié)。

提問：數(shù)據(jù)并不完美，那科學家為什么還堅定地認為這個“距離平方反比”的結(jié)論一定成立呢？

學生自主討論，并提出觀點：（1）偏差越來越小，從發(fā)展的趨勢來看，隨著條件的“理想化”，測量工具的“精確化”，或許這個偏差越來越接近零，直至沒有。（2）人們始終相信自然界中的規(guī)律是簡單、統(tǒng)一的，在庫侖定律之前萬有引力定律已經(jīng)發(fā)表，并被人們廣泛認可，那么從萬有引力和靜電力的相似性來看，這個結(jié)論一定成立。（3）也許這個偏差不會否定庫侖定律，但是說不定有什么別的原因，這個原因會不會是另一個發(fā)現(xiàn)呢？

三、實驗注意事項與反思

1.注意事項：首先，根據(jù)控制變量法在探究F和q之間關(guān)系時需要保持r一定，當電荷量逐漸減半，細線偏角已經(jīng)減小，此時需要調(diào)節(jié)（增大）兩個帶電體之間的距離，保證與第一次實驗的距離r一致，方可讀出此時θ的數(shù)值。其次，實驗過程中由于所處地域濕度較大，太陽燈最好一直處于打開狀態(tài)，且可以用打火機加熱或砂紙輕輕摩擦的方式減少大金屬球上的“毛刺”，減少電荷損失。最后，實驗時間不宜太久，以減少電荷量損失所帶來的影響，所以請學生在讀數(shù)之前要熟悉刻度，做到精準讀數(shù)，以利實驗順利完成。

2.反思：首先，定量實驗是探究庫侖規(guī)律的核心，盡可能創(chuàng)造條件做一個引導者，帶著學生經(jīng)歷一個較為完整的探究過程，這樣課堂教學才能讓學生也成為“發(fā)現(xiàn)者”。在發(fā)現(xiàn)規(guī)律的同時通過運用控制變量法、轉(zhuǎn)換法及合理的數(shù)學運算……培養(yǎng)學生的“科學思維”“科學探究”能力。其次，探究的“交流”環(huán)節(jié)是不可或缺的，學生的回答與科學家的做法不謀而合，時隔多年后，現(xiàn)在又有科學家在關(guān)注庫侖定律驗證實驗，對偏差進行分析。這樣的環(huán)節(jié)讓學生對科學家除了欽佩之外，還有些許共鳴，甚至產(chǎn)生“如果有機會，我也可以成為發(fā)現(xiàn)者”的念頭。

[? ?參? ?考? ?文? ?獻? ?]

[1]? 王華，張健，李春密. 滲透物理學史，促進規(guī)律建構(gòu)：以“庫侖定律”為例兼談物理定律教學[J].物理教師，2017（7）：9-11.

[2]? 吳慎勇. 借助問題情境促進高中物理規(guī)律教學[J].中學物理教學參考，2018（4）：24.

[3]? 王慧，邢紅軍，陳清梅.庫侖定律教學的高端備課[J].物理通報，2014（5）：49-52.

（責任編輯 易志毅）