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基于水分子极性特征的电荷间作用力实验的改进 山东省邹平县第一中学 李进 库仑定律是物理学静电学部分的重点内容之一，高中物理库仑定律的教学是以引导学生分析影响电荷间作用力的因素入手的。前不久，市教研室来我校指导教学工作，组织了几堂公开课，其中一位教师执教《库仑定律》。笔者课后对其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“探究影响电荷间相互作用力的因素”的演示实验进行研究，尝试利用水分子的极性特征改进实验。 一、问题的提出 笔者对该问题的研究是源于对授课教师处理该问题的方式的反思。我省所用教材是人教版高中物理（选修3-1），教材里简单介绍了一下如图1所示的实验，但对实验操作的细节未加阐释，授课教师只是对其进行了简单的模仿。她使用的仪器装置是范氏起电机和一个悬挂于细线一端的小球。演示时，先开启范氏起电机，然后让小球与其接触而带电。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。接下来，该教师以空气潮湿及改变小球电量困难为由，用课件模拟实验来说明电荷间作用力与电荷量之间的关系。笔者反思如下：  让学生观察移动过程中的小球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，小球带电后因漏电，电量会不断减少。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；另外，教师在移动小球过程中，移动的速度、路径，小球受到的空气阻力等因素难以控制。 用课件模拟实验代替真实实验不利用学生从现象中发现问题。教师制作课件可以“随心所欲”，在学生心中难免有“造假”之嫌。信息技术与课堂教学整合应恰当好处，避免泛化。 实验设计遇到困难应该是想办法克服困难，而不是退缩避让。 基于以上思考，笔者设计出利用水分子的极性特征改进实验操作的方案。 二、实验原理 简单的说，整个分子的电荷分布是不对称的分子为极性分子。水分子中两个O－H键的键角为104°30＇，O－H键是极性键，氧原子吸引电子的能力大于氢原子，共用电子对偏向氧原子，氧原子带部分负电荷，氢原子带部分正电荷。由于氢原子分布在分子的一端，因此氢原子一端带正电荷，氧原子一端带负电荷，水分子是极性分子。[1] 如果让水以稳定的线状缓慢下流，仿照“电流元”的概念在水流中可取一个“水流元”，则可以认为每个“水流元”所带的电荷量相等。那么，就可以根据水流在电场中下流的路径的改变程度来判断它所受电场力的大小。 三、实验装置及操作 如图2，实验装置主要由以下部分构成：范氏起电机、感应起电机、滴定台、滴定夹、滴定管、重锤、水槽、升降台。  1．探究电荷间作用力与距离的关系 将范氏起电机组装好后放在实验台上，在滴定台上装好滴定夹后置于两个升降台上，根据滴定管和范氏起电机放点球的高度调整好升降台的高度。将红墨水与蒸馏水混合后加入滴定管中，在滴定管下面放置油膜实验器中的水槽。将重锤悬挂在滴定夹上，通过调节升降台的高度来调节滴定管的方向，使之与重锤线平行。 操作时，先轻轻旋转滴定管的旋钮，直至形成稳定的细流。然后开启范氏起电机，在很短时间内形成高压静电场。此时可以看到红色的水流被起电机“吸引”形成抛物线的形状落入水槽中。移动范氏起电机以改变其与滴定管的距离，可以明显发现，红色水流偏离重锤线的程度随两者距离的减小而增大。 2．探究电荷间作用力与电荷量的关系 将滴定台置于实验台上，用带有绝缘支架的金属球代替范氏起电机，并用导线将其与感应起电机的一个放电球连接。调节好金属球与滴定管的高度后旋转滴定管的旋钮直至形成稳定的细流。然后由慢到快摇动感应起电机，观察水流下落方向的变化。可以看到，摇动速度控制在一定范围内（金属球电量未饱和），红色水流偏离重锤线的程度随摇动速度的增大而增大。 四、几点说明 1．操作中先开启滴定管再开启或摇动起电机，一方面是为了更清晰的进行电场作用前后实验现象的对比，另一方面是为了避免人体所带电荷的干扰。笔者多次实验证明，人体所带电荷对水流的作用力甚至能超过起电机作用力，因此在实验中要让人体尽量远离滴定管。 2．使用范氏起电机进行实验时应让起电机从距离滴定管大约50cm处逐渐靠近滴定管。如果距离太近，则在开启起电机后，水流会很快飞溅到起电机和实验台上。 该实验的改进既运用了化学知识又运用了化学实验仪器，取得了很好的效果。这也告诉我们，在设计实验时要在突破中求出路，可以参考其他相关学科的实验方法及手段，进行创新研究。 参考文献： [1]人民教育出版社化学室．高级中学课本化学（必修）第一册[M]．人民教育出版社，1995：151-152． (责任编辑：admin) |