“库仑定律的精确验证”的设计与制作_库仑定律论文

“精确验证库仑定律”的设计与制作，本文主要内容关键词为：库仑定律论文,精确论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。

静电力相互作用的平方反比关系，首先是由法国军事工程师库仑(C·A·Coulomb，1736～1806)在实验中测定的。1785年，库仑利用扭转力方面的知识，设计制作了1台精密的扭秤，进行了测定电力作用的实验。从实验结果库仑得出了“带同类电的两球之间的排斥力，与两球中心之间距离的平方成反比”的结论。但该实验不仅精度不高，而且用扭秤无法验证带异种电荷间的引力与距离之间的关系。这是因为当小木球上的电荷从扭力为零的位置向固定的同种电荷位置运动时，扭力的大小与两球之间的距离呈线性规律变化()；而异种电荷之间的吸引力则与距离呈平方反比变化()。扭力与电吸引力之间即使能够达到平衡，也是一种不稳定平衡。如果出现微小扰动，电荷之间的吸引力就会比扭力增加得更快，往往导致两球相碰。库仑在论文中这样写道：“即使能达到平衡，最后两球也往往会相碰，这是因为扭秤十分灵活，多少会出现左右摇摆的缘故。”事实上，库仑后来是利用“电摆”装置验证电吸引力与距离的平方成反比关系的。尽管如此，库仑声称他还是首先利用扭力同电吸引力平衡的方法进行了测量，并说明他由此得出电吸引力也满足平方反比律的结论。

一、高中物理教学实践中面临的问题

在进行库仑定律的教学时，教师往往是先进行定性实验，然后再介绍库仑扭秤装置。限于仪器的精度不够高以及操作不便等因素，教师一般不进行定量实验演示。也就是说，库仑定律的定量实验教学在高中物理实验教学中基本上是处于空白状态。

二、设计定量验证库仑定律实验的契机

2006年4月中旬，笔者作为一名参赛选手参加了河北省教科所主办的“河北省物理教学大赛”，“库仑定律”是当时三节必备课题之一。从2006年3月下旬开始，笔者经过反复试验，设计出了定量验证库仑定律的创新实验。下面，笔者对该实验进行讨论。

三、仪器介绍

1.构造。如图1所示，整个装置主要由3块木板（底部水平木板、中间木板、垂直木板）、带底座的金属球、包有金属箔的有机玻璃薄片、导槽、几根细线、测角度用的压膜图片、旋钮、感应器电机等几部分组成。现详细介绍如下：

图1 仪器构造图

(1)在底部水平木板的四角有4个旋钮可用来调节中间水平板的水平位置（配合水平尺）。

(2)在中间木板的正中间有1个金属导槽，带底座的金属球可在其上滑动。该金属球的结构自上而下分别为金属球、金属螺杆、有机玻璃杆、金属片形底座（中间有1个垂直于金属片形底座侧面的用于读距离的指针）；中间水平板的底部固定有2块长条形热板，一侧用合叶与底部水平板连接固定，以方便地调节中间水平板的角度。

(3)垂直木板被垂直地固定在中间木板上。在竖直木板的中间有1幅精确到0.1度的压膜图片，在该测角图片的圆心处垂直地钉1枚大头针，大头针上挂1个带线的重锤，用于确定竖直线的方向；下方黏有1把普通刻度尺；最上方的中央有1个“L”形的垂直横梁（横梁的末端点与中间水平板的边缘在同一个竖直面内，即横梁的宽度与竖直板的厚度之和等于中间水平板的宽度，在横梁的末端点与中间水平板的边缘各有1个“？”形铁丝挂钩，在2个挂钩之间拴1条绷紧的细线作为观察线，用于固定观察者的视线位置）；把1个包有金属箔的泡沫薄片（厚度在2mm左右，上端钻有2个小孔用于穿线固定）用2根绝缘细线悬挂起来，2根细线的悬点分别拴在大头针上和“？”形铁丝挂钩上（2个悬点的连线要在与竖直板垂直的同一平面内）。

(4)实验时还需用到1根耐高压线和1个静电高压发生器。耐高压线的一端连至金属球下方的金属螺杆上，另一端焊有1个插头，直接插入静电高压发生器的1个电极上。各连接处都用绝缘胶布缠好，并在外表面涂上蜡，以将漏电损失降到最低。

2.调试。实验前，需通过调节以满足以下要求：

(1)中间水平板的各个方向均呈水平状态。

(2)保证金属球与薄片的中心连线水平。

(3)当薄片静止时，调节悬点在金属挂钩上的位置，使悬挂薄片的2根细线与重锤线、测角图片上的0刻度线、观察线在同一竖直面内。

3.原理。

(1)验证斥力F与距离r的二次方成反比。

实验时，将中央木板垫起一个角度，打开静电高压发生器，使金属球带电，并同时使薄片带电。这时，悬挂薄片的2根细线会摆起一个角度；同时，重锤线也会与。刻度线有一个角度（此角度即为中央木板被垫起的角度）。调整金属球的位置，使悬挂薄片的2根细线与0刻度线、观察线重合，这就确保了悬挂薄片的2根细线的拉力与斜面（中央木板）垂直。

对此时薄片受力分析如图2所示，它受到3个力作用：重力G、绳子的拉力T、带电金属球对薄片的斥力F。将重力G正交分解：沿平行斜面方向的分力，沿垂直斜面方向的分力。由平衡条件得：