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库仑扭秤实验的改进

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高中物理教材(新人教版)选修3-1向学生介绍了“库仑定律”,并通过库仑扭秤实验做了论证。由于库仑扭秤(如图所示)结构上的复杂性以及操作上的精确要求,使该实验在中学教学中一直得不到普遍应用,所以,库仑定律的定量分析在教学上成了许多教师回避的空间。为了解决这个问题,让学生更好的理解库仑定律,笔者做了大量的实验,最后找到了一个切实可行的方案。下面介绍给大家。

(一)制作实验器材

1.把金属锡薄片用剪刀剪成一个半径为2cm的圆片(共A、B、C三片),为了防止带电过程漏电用砂纸打磨其边缘直至圆滑。用透明胶把两根绝缘的细线粘在A圆片上,做成半径为50cm的复摆(避免扭转)并悬挂在铁架台上。

2.把B圆薄片粘在带底座的绝缘柄上,并在B的边缘安装一个标尺,用来测量A、B之间的距离。C圆薄片上也粘上绝缘柄。

3.用厚木板锯成一个半径为50cm(和A圆片构成的复摆的半径相同)的圆槽。

4.在一块塑料板上贴上电脑纸制成背景板。(电脑纸上的等分格和B薄片上标尺的刻度相同)。

(二)实验的改进

把背景板竖直固定在铁架台底座上,要求0刻度线与A摆自由放置时的摆线对齐。把弧形槽放在A摆正下方,B薄片放在弧形槽上,用泡沫板和毛皮摩擦,用起电盘让A、B带电。带电后的原理图如图所示。移动圆槽和B圆片使B与A圆片正对且平行,保证A、B之间的作用力垂直于悬线。对A进行受力分析如原理图上所示,由力的平衡可知:

sinθ= ;过A点作一条垂直OC的垂线X,则sinθ= ;代入上式得: = ;即F= X;G、L是一个常数,所以F与X成正比。

现在我们就用这个原理来探究库仑力与电量之间和距离之间的关系。

1.A、B的距离不变: 让A、B带上同种电荷,一定距离下A、B在静电力作用下偏转,稳定后测出X的格子数,填入表格;用相同的C圆薄片与A圆薄片接触,这样使A的电量变为原来的一半,保持距离不变测出X的格子数,填入表格;用C圆薄片可改变A或B的电量几次,重复实验,分析数据。

2.A、B的电量不变:让A、B带上同种电荷,使A、B距离为d,A、B在静电力作用下偏转,测出X的格子数,填入表格;保持电量不变,使AB距离为d/2,测出X的格子数,填入表格;重复实验,分析数据。

对实验数据分析可以很精确得出库仑定律。实验如此改进后不仅操作方便而且精确可行,为库仑定律的教学开拓了空间。