电磁学
两电荷间的库仑力
定性探究库仑定律:力与 |q₁q₂| 成正比、与 r² 成反比,方向由电荷符号决定。 改变电荷量和间距并记录力,检验 。
⚠ 电荷模拟为虚拟内容;真实实验中不要触碰高压电源。
器材
- 可拖动改变位置的两个点电荷
- q₁、q₂、距离 r 滑块及电场线开关
实验步骤
检验吸引与排斥
用 q₁、q₂ 滑块设定异号电荷,观察力矢量相向;将其中一个改为同号,观察排斥。固定 q₁、q₂,增大再减小 r,对比读数中的力大小。打开“电场线”查看场的形状;也可直接拖动球体改变相对位置。 将观察到的量与下式比较: .
测量距离关系
固定 q₁、q₂,记录两个不同间距 r 下的力,并与公式 比较;间距加倍时,力降为四分之一。
改变电荷量大小
固定 r 和电荷符号,依次增大 q₁、q₂ 的大小。观察力读数,打开电场线辅助比较,并记录力与 成比例的关系。
模拟
实验历史
夏尔-奥古斯丁·德·库仑(1736–1806)是法国军事工程师和物理学家,他利用改进后的扭秤研究电力和磁力。自1785年起发表的论文中,他把小带电球悬挂在细纤维上,测量相互作用造成的扭转,从而定量研究近距离的电作用。
库仑的测量表明,点电荷间的力随距离平方增大而减小,并与电荷量乘积成正比;电荷符号决定相互吸引还是排斥。这些是在受控条件下得到的实验结果,推动十八世纪末电学走向定量研究。比例常数以他的名字命名,不过定律的现代表述属于后来建立的电磁理论框架。扭秤把难以直接观察的微小作用转换为可读的旋转角度,使不同实验条件下的力能够相互比较。库仑的工作也说明,测量装置本身的设计与控制对建立可信的自然定律同样重要。这些实验还使研究者能够系统改变一个变量、保持其余条件稳定,从而区分距离效应与电荷量效应,并为后来统一描述电场的理论提供了可靠的定量基础。此后的实验物理学继续采用这种方法,通过重复测量和控制变量检验可重复的自然规律,也为电磁理论后来以场的概念统一描述电荷相互作用提供了历史基础。