“库仑定律定量探究装置”的创新设计

摘要

对“库仑定律定量探究装置”进行创新设计，该创新设计使用高精度电子秤、可移动刻度尺和亚克力密封箱等器材，实现了对库仑力的精确测量和距离的便捷测量。实验过程分为两个部分：分别探究库仑力与距离、库仑力与小球带电量之间的关系。其实验结论与库仑定律相吻合，能有效提升学生的科学探究能力和核心素养。

Graphical abstract

关键词

库仑定律 / 定量探究 / 装置 / 创新设计

在高中物理课程中，库仑定律是表征静电学的重要知识点，要求学生深入理解其基本概念和数学表达式，并能够灵活运用其解决相关问题。在高考物理科目中，库仑定律也是重要的考查内容，通常与电场强度、电势等知识点相结合进行考查。因此，对于高中生来说，熟练掌握库仑定律，有利于深化对电磁学领域的理解和提升自身的物理核心素养。

1 教材实验分析

该实验选自人教版高中物理必修三的第九章第二节“库仑定律”。库仑定律是电学第一个实验定律，教材中关于实验的内容处理分为以下两个方案。

（1） 教材回避了定量实验方案，其演示实验为定性实验：“探究影响电荷间相互作用力的因素”。该实验能够直观看出：电荷量越大，相互作用力越大；距离越远，相互作用力越小^［1］。上述实验定性研究可行，但要定量研究，则难度极大。

（2） 教材侧重介绍了库仑扭秤实验装置以及在实验过程中的困难之处，让学生明白库仑扭秤实验的设计思路与实验方法，理解库仑扭秤的特点是可以定量测量微小的力，了解扭秤的工作原理——通过力矩平衡实现“小量放大”。库仑扭秤结构上的复杂性和操作上的精准性，决定了对实验器材及其操作方法的要求较高。

2 传统实验的不足

（1） “探究影响电荷间相互作用力的因素”实验装置，受空气湿度、实验器材大小等实验环境因素影响，金属小球带电后放电较快，导致金属小球位置不稳定且作用力小，而金属小球如果倾角过小，就不易测量角度。装置所展示的探究过程只是定性探究，而非严谨的定量探究。

（2） 库仑扭秤实验装置操作难度大，不易成功。如果没有定量实验，就少了基于规律探究步骤中最为核心的环节。为了获得准确的实验结果，需要采取一系列措施来改进实验方法，提高测量精度。

3 教具的设计原理

将带绝缘底座的直径为6 cm的金属小球放在电子秤（精度0.001 g）上，另一金属小球固定在可移动绝缘刻度尺的下端，两球正对放好，再罩上透明密封箱（图1）；打开加热器，用电子起电机通过细导线使两球带上电，电子秤在两金属小球带电前后的读数之差即为两金属小球之间的库伦力的大小。

采用控制变量法，即：先保持两金属小球的电量不变，通过改变两金属小球间的距离探究力的大小与距离的关系，其中两金属小球的球心距离可通过可移动绝缘刻度尺直接读出；再保持距离不变，利用第三个完全相同的金属小球与下方球接触，通过二分法改变下方金属小球的带电量，就能探究力与电量之间的关系。

4 实验过程

4.1 探究力的大小与距离之间的关系

（1） 打开电子秤，校准并去皮清零，再打开电子起电机放电端并通过细导线与两金属小球相连接，使两金属小球带电，记录两金属小球带电时电子秤的读数。

（2） 保持两金属小球带电量不变，移动可移动绝缘刻度尺，改变两金属小球的距离并重新记录电子秤的读数和两金属小球球心间的距离。

（3） 多次改变距离，得到多组数据，将数据记录在Excel表格中。

4.2 探究力的大小与金属小球带电量之间的关系

（1） 使两金属小球保持10 cm距离，导走两金属小球上的电荷量，给电子秤去皮清零。

（2） 重新打开电子起电机，让两金属小球带上电，记录电子秤的读数，将下方（或上方）金属小球电量记为q。

（3） 保持两金属小球间的距离不变，用第三个不带电的金属小球与下方（或者上方）金属小球相接触，重新记录电子秤的读数，并记录金属小球下方（或者上方）的金属小球电量为q/2。

（4） 将第三个金属小球电量导走，重复步骤（3），得到多组数据，记录在Excel表格中。

5 数据处理及误差分析

5.1 数据处理

笔者以一组学生在课堂上测量出来的数据为例加以说明：师生共同对数据进行分析，利用Excel表格的插入散点图功能分别对库仑力与距离、库仑力与距离平方、库仑力与电荷量的数据进行分析，据此绘出关系图像（图2、图3、图4）。

5.2 实验结论和误差分析

（1） 实验结论：在两金属小球带电量不变的情况下，力与距离平方成反比；在两金属小球距离不变的情况下，力与其中一个金属小球的带电量成正比，同理与另一个金属小球的带电量也成正比。

（2） 误差分析：在距离较远的情况下，金属小球更加接近点电荷，实验数据更加准确；在距离较近的情况下，不能看成点电荷，平方反比关系会有较大误差，带电金属小球体积相比较大，导致金属小球靠近时电荷分布不均匀，距离测量有误差。

6 实验创新点

6.1 使金属小球带上较为稳定的电荷量

用绝缘性能较好的亚克力密封箱配上加热器，可使两金属小球带电稳定（实验环境优化）。

6.2 能测出非常微小的库仑力

采用精度高达1×10^-5 N的电子秤，可测出非常微小的库仑力（实验原理的创新）。

6.3 能便捷地测量两金属小球之间的距离

制作一支可移动绝缘刻度尺（单位：mm），就能便捷地测量两金属小球球心之间的距离（实验仪器的创新）。

6.4 定量探究，实验高效

相比于教材实验，该创新性实验可实现定量探究；相比于库仑扭秤实验，该创新性实验具有原理简单、操作容易和现象明显的优点。

7 结语

创新性实验能够通过新颖的实验方法和有趣的实验内容吸引学生的兴趣，从而激发他们学习物理的热情。针对教材实验，教师应引导学生去思考、质疑、探索和创新，使每个学生在掌握物理实验技能的同时，都能轻松、愉快地学习物理^［2］。因此，对实验进行改进和创新，不仅能显著提升物理教学效率和质量，还能进一步提升学生的科学探究能力，发展其创新思维，培育其核心素养。

参考文献

[1] 倪凤.库仑定律定量实验的探究与设计［J］.中学教学参考，2021（05）：57-58.

[2] 葛永普，刘永树.玻璃折射率测定仪的创新设计与制作［J］.中学物理教学参考，2021，50（29）：46-48.