如何保证库仑定律演示实验的成功

朱小飞

(柳州铁一中学，广西柳州 545007)

“库仑定律”是静电学部分的重点内容之一，通常教学是通过教师演示实验或视频资料以引导学生分析影响电荷间作用力的因素.笔者在上课时大胆将教师演示实验加以改进变成学生探究实验，让学生有更加直观的物理体验.在对教学过程尤其是实验教学过程和实验手段进行认真反思之后，对“影响电荷间相互作用力的因素”的演示实验进行研究，尝试了多种不同材料，多管齐下确保了学生实验的成功.

1 教材上本实验的处理

我们所用的教材是人教版高中物理(选修3-1)，教材第5页简单介绍了如图1所示的实验，并介绍“这个力的大小可以通过丝线偏离竖直方向的角度显示出来”，但对实验操作的细节未加阐释，很多教师也只是对其进行了简单的演示.

演示时，先通过范氏起电机或者感应起电机让一个金属球与其接触而带电.教师用手提着细线不断改变小球与范氏起电机的距离，让学生观察小球倾斜角度的变化，由此说明电荷间作用力与电荷间距离的定性关系.但是笔者在准备这个实验时发现由于空气潮湿和仪器本身的原因，很难有明显的效果.经过反复的尝试，对库仑定律实验做了以下的改进.

图1

2 实验的改进

(1)改变悬挂方式.

教材上是用一根丝线悬挂小球，由于实验用的小球质量很小，容易受空气流动而晃动，就不能说明丝线与竖直方向的偏角是由库仑力造成的.笔者改成用两根丝线悬挂(如图2所示)，不容易两边晃动，提高了小球的稳定性.

图2

(2)改变悬挂物材料.

教材上给出的悬挂物体是小球，笔者尝试了用泡沫塑料做的小球，为了增加其带电荷的能力，还取出了废旧电池的碳棒，刮下碳粉均匀的涂抹在小球表面，结果实验未成功，查阅资料后又将打印机的墨粉取出涂抹在小球表面，实验还是没有成功.经分析原因是我们手工制作的泡沫小球很难做到光滑平整，容易发生尖端放电，电荷很难长时间留在小球表面.

第2次尝试的悬挂物体是乒乓球，笔者找了一个乒乓球，为了增加其带电能力，将乒乓球表面涂抹碳素墨水，晒干后再涂抹一层再晒干.实验时发现乒乓球质量太大，带电小球间的库仑力不足以让乒乓球发生较明显的偏转，实验依然失败.

图3

经过前两次的尝试，分析悬挂物体应该是质量轻小且容易带电，表面平滑的物体，因此想到了导电纸和锡箔片，将导电纸和锡箔片剪成1cm宽、3cm长的小片，为了保证平滑，边缘的一些毛刺用火烧掉，并且悬挂的丝线不能穿洞，而是用透明胶粘在上面(图3)，实验效果很好.

最后又尝试了用脱脂棉做成小球(图3)，实验效果不如锡箔片和导电纸，但多次操作后也能成功.

(3)改变取电方式.

一般中学实验室都有范式起电机和感应起电机，笔者尝试将范式起电机接通电源后直接靠近悬挂的锡箔片，相互接触后带同种电荷且丝线与竖着方向有明显偏角，但是实验中想改变电荷量比较困难，仅能说明库仑力F与间距r的关系，实验不完整.

使用感应起电机就能较好的解决这个问题，摇动手柄后两带电小球上就带有大量电荷，接触锡箔片带上同种电荷后，能调节距离r，也能通过用不带电的金属球与放电球接触来改变小球电荷量，效果非常好，但是感应起电机对环境要求较高，空气潮湿则很难成功.

一次偶然的机会，用丝绸摩擦过的玻璃棒靠经锡箔片时发现，锡箔片接触玻璃棒后带上同种电荷，相互排斥的效果很明显，悬挂锡箔片的丝线偏角较大，受此启发，笔者将演示实验改成了学生探究实验，每个小组可以通过这种方式取电.

(4)实验环境的要求.

图4

课前教师在准备室反复实验，效果都不错，但是上课时真正让学生动手操作就发现大部分小组的实验都没有成功，经过分析原因是教室环境太潮湿，电荷很快就流失了.为了保证环境的干燥，就在每组配了1只白炽灯(如图4所示)，上课前对实验仪器烘烤一段时间，并用吹风机的热风档对起电机吹一段时间.并在实验室的几个角落撒上洗衣粉或者干石灰以除去空气的水汽.

当然有条件的实验室可以配备专业的除湿设备，并且在实验前就开启1h，正式实验时要关掉设备的电源，以保证实验过程中室内没有风，因为悬挂的锡箔片等有轻微的空气流动就会晃动，影响实验效果.

使用的金属球表面的光洁程度也是影响带电荷量的因数之一，所以实验前还要用棉球蘸酒精擦拭金属球，以保持金属球表面的光洁.

(5)其他方面的误差.

实验时让学生观察移动过程中的锡箔片与竖直方向夹角的变化是不科学的实验操作.首先，对坐在不同位置的学生，实验的直观性不同，无法达到应有效果;其次，锡箔片质量太小，会因为学生走动产生的空气流动而晃动.人体经起电机充电后带有大量电荷，对小球的作用力不可忽略.

1 于朋杰，韩建志.库仑定律定性演示实验的设计与制作［J］.物理教师，1999(5):28.

2 王雪彬.对人教版3-1“库仑定律”演示实验的深入思考［J］.物理教师，2013(9):62.