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从库仑定律谈物理定律的教学
  发布者:学科专家   来源:上海物理教育网  发布时间:2014-06-25

  摘 要:物理定律是物理理论赖以建立的基础。通过库仑定律的教学,要引导并帮助学生了解物理定律的讨论、建立和发展,理解物理定律在揭示事物的本质、规律和内在规律中所发挥的重要作用,从而提高教学的思想性。

  关键词:库仑定律 物理定律 教学

  物理定律是在观察和实验基础上发现的实验规律。各种物理定律从各自不同的角度和侧面揭示了事物的本质、规律和内在联系。物理定律是物理理论赖以建立的基础,也是检验各种物理理论是非真理的标准。因此,物理定律的建立是有关研究领域获得重要进展的标志。在物理教学中,物理定律的阐述理说当然得占有重要的地位。

  当然,在教学中,不可能也没有必要凡遇到物理定律都作系统全面的考察,但结合各定律的特点,有选择地作一些引申和发挥,注意把具体内容的讲授与科学思维能力的培养结合起来,是有益的,这也应该成为物理教学改革的一个重要方面。

  下面以熟知的库仑定律为例进行讨论。

  1785年库仑设计制作了一台精巧的扭秤,它能测量10-8牛顿的弱力。通过扭秤实验,库仑得出:“两个带同种电荷的小球之间的相互排斥力和它们之间距离的平方成反比。”库仑测出电引力单摆的振动周期与摆锤(点电荷)到电引力中心(另一异号点电荷)的距离成反比,从而证明两异号点电荷之间的电引力也与距离的平方成反比,又一次显示了类比的威力。

  库仑定律包括三个内容,即Fr-2,FQ1Q2,F的方向沿两点电荷的连线。除Fr-2已被上述实验证实外,另两者来自何处呢?由于库仑力是电场力,与物体带电状况有关,在其表达式中需要引入定量描述物体带电状况的物理量——电量。应该指出,FQ1Q2正是电量的定义,而并非实验结果,因为在尚未定义电量之前,是无法用实验来证明电场力与电量乘积成正比的。同样,在万有引力定律的表达式中也包含了引力质量的定义,诸如此类,俯拾皆是。借此,比较电量之类的异同,指出电场力与引力都与距离的平方成反比,电量和质量都遵循各自的守恒律,但电量有正负(这使得电场力有吸引、排斥之区别,且可以屏蔽),电量无相对论效应,电量具有量子性等等,以开阔视野,使学生对电量这个物理量具有较为广泛的了解,是适宜的。

  至于电场力的方向沿两点电荷的连线,虽则包括库仑定律在内的一些现象表明大抵如此,但并非严格证明。实际上这是空间各向同性的结果。由于电场力沿连线与点电荷Q在任一点P的场强沿径向等价,将QP绕自身作任意旋转,若P点的场强不沿径向,则其方向将因旋转改变,与空间各项同性矛盾。这一事例可以帮助学生理解物理学的规律是分层次、有联系的,具体规律要受最高层次普遍规律的制约。

  库仑定律的成立条件是真空和静止。真空条件是为了排除其他电荷的影响,使两点电荷只受到对方的作用,别无其他。当真空条件被破坏,即除了两点电荷外,还存在其他因感应或极化产生的电荷时,该两点电荷之间的作用仍遵循库仑定律,这正是力的独立作用原理亦即场强叠加原理。所以真空条件并非必要,但为了使问题单纯,便于初学者理解,加上亦无不可。静止条件是指两点电荷相对静止,且相对于观察者静止。静止条件可推广为静止源电荷对运动电荷的作用,但不能推广为运动源电荷对静止或运动电荷的作用(因为有推迟效应)。换言之,两静止电荷的相互作用遵循牛顿第三定律,而运动电荷的相互作用则违背牛顿第三定律。如何理解这一结果呢?众所周知,牛顿第三定律的实质是动量守恒,若两物体构成了封闭系统,则其一动量的减少应等于另一动量的增加,反之亦然,于是其间的相互作用力必定相等反向,接触物体之间的摩擦力、张力、支持力与压力等就是如此。由于两电荷之间的电力是以电场为媒介传递的,在两电荷运动的条件下,作为媒介物的电场是第三者,其动量在变化,因而两运动电荷的相互作用必定不遵循牛顿第三定律;在两电荷都静止时,电场的动量恒定不变,其间的相互作用才遵循牛顿第三定律。所以关于库仑定律静止条件的讨论,为正确理解牛顿第三定律,为证实电场的存在,提供了机会。另外,所谓静止都是相对某一惯性系而言的,于是,不难设想,在该惯性系中单纯的静电作用,在另一惯性系中则成了复杂的电磁作用。这似乎很离奇,其实恰恰足以说明电磁现象的统一性。

  库仑定律的适用范围是指电力平方反比率适用的空间尺度。库仑以及卡文迪许——麦克斯韦等的实验确保了它在距离r为几厘米到几十厘米的尺度范围内适用;卢瑟福的α离子散射实验表明,在小到10-13厘米的尺度仍适用;地球物理的实验表明,在大到109厘米的尺度仍适用。但有迹象表明,在10-14厘米的尺度范围,电力似乎比预期的要弱。总之,从小到原子、大到地球甚至太阳的空间尺度,电力平方反比率可以放心使用,在原子核的空间尺度则需谨慎。

  库仑定律具有重要的电理论地位,它(与场强叠加原理)从原则上解决了带电体相互作用的问题,决定了静电场的性质,成为研究各种电现象和电过程的基础,它还是麦克斯韦电磁场理论赖以建立的根据之一。

  本文从库仑定律所做的讨论只是希望为此提供一些启发。由于对象与问题的不同,各种物理定律的建立、发展以及相关的讨论可谓千姿百态、各具特色,绝非某种模式可以概全。然而,科学的思维方法总是历史地体现在前辈物理学家推动物理学发展的创造性工作之中,只要善于从中汲取营养,就有可能提高教学的思想性。

 

 
  相关评论 点击数:404     评论数:2    
游客     发表评论于:2014-7-4 0:21:30
库仑定律的适用范围是指电力平方反比率适用的空间尺度.
游客     发表评论于:2014-6-26 16:04:10
我们在平时的教学中,只关注定律的应用,很少强调定律的建立以及联系,看了这篇文章,我受到很多启发。
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