从库仑定律看高师物理规律的教学

第２５卷第８期Ｎｏ．８Ｖｏｌ．２５内江师范学院学报ＪＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＮＥＩＪＩＡＮＧ　ＮＯＲＭＡＬ　ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ

从库仑定律看高师物理规律的教学吴　燕　丹＊（韩山师范学院物理与电子工程系，　广东　潮州　５２１０４１） 摘　要：以库仑定律为例，阐述了在新课程背景下高师物理规律教学的方法，要突出物理思想方法的教学，让学生在实验的设计和验证中了解规律的建立过程和科学的研究方法，多方面培养学习能力和科学精神．

关键词：物理规律；库仑定律；物理思想；科学研究方法；中图分类号：Ｇ６４２文献标志码：Ａ文章编号：１６７１－１７８５（２０１０）０８－００９５－０３

在传统的物理教学中，十分强调物理概念、物理规律的结论及其利用规律进行推演解题，对物理概念的内涵、规律形成的过程的教学都不够重视，致使大部分学生对物理规律的理解流于表面，只了解物理规律的内容和数学表达式，利用公式解题，忽视了物理规律的内涵、本质的学习和理解．高中物理新课程标准明确指出，高中物理教学旨在进一步提高学生的科学素养，在继续学习基本物理知识和技能的同时，体验科学探究过程，了解科学研究方法，体会人类探索自然规律的科学态度和科学精神．对于高等师范教育，其任务是培养基础教育的师资力量，在新课程背景下，高师物理教育也必须做出相应的改革，单物理规律学习这一方面，就提出了更高的要求，必须对物理规律的内涵、规律建立过程中所运用的科学研究方法等有更深刻的理解和探索．物理规律包括物理定律、原理和定理。而一个物理定律的建立本身就是物理学取得很大进展的标志，物理定律具有丰富、深刻的内涵和外延，体现了深刻的物理思想，物理规律建立的过程一般包括（１）观察现象；（２）提出命题；（３）猜测答案；（４）理论预言（５）设计实验测量；（５）修改理论、发现规律；（６）形成定理、定律；（７）考察成立条件、适用范围、精度、理论地位及现代含义［１］．由此可见，物理的学习过程，对物理规律的理解，并不单单知道规律的结论，如何用规律解题，更重要的是了解规律的内涵和本质，并逐渐形成分析问题、解决问题的思想方法和独立创新的“潜在意识”．库仑定律是电磁学的基础，下面将从该定律出发，浅谈高师物理规律教学的体会，旨在引导师范生更深入地学习物理知识和规律，为从事基础教育做好充分准备．

１　

突出物理思想方法———类比推理

最初富兰克林（Ｂ．Ｆｒａｎｋｌｉｎ，１７０６—１７９０）

观察到放

在金属杯中的软木小球完全不受金属杯上电荷的影响，后来普里斯特列（Ｊ．Ｐｒｉｅｓｔｌｅｙ，１７３３—１８０４）

重复了这个实验

并立刻想到这一现象与万有引力情形非常相似．牛顿在《自然哲学和数学原理》中，利用万有引力与距离平方成反

比的规律，证明了在均匀物质球壳内的物质不会受到来自壳体本身物质的作用力．因此，他猜测电力与万有引力有相同的规律，两个电荷间的作用力应与它们之间距离的平方成反比，即Ｆ∝ｒ－２．这是一项很重要的类比推理［２］，

是

历史上对电力与距离平方成反比的最早认识．

在教学中我们往往把物理规律视为逻辑推理的必然，忽视了其中的主观创造成分，忽视了物理思想方法的重大作用．在从牛顿万有引力定律到库仑定律的类比推理过程中，充分体现了类比推理的物理思想对科学发展的推动作用．当然，科学规律发现的模式也是多种多样的，对大量事实材料进行整理，归纳出经验定律的研究方法并不一定是万能的良方，把已有理论的某些思想应用到新的研究领域也是重要的研究方式，全面掌握科学发现的物理思想方法，可使学习者、研究者思路开阔，思维活跃，少走弯路．

２　

从实验的设计和验证，了解规律的确立过程和科学研

究方法

现今公认的库仑定律是由法国物理学家库仑（Ａ．

Ｃｏｕｌｏｍｂ，１７３６—１８０６）在１７８５年发现的．在一般教科书

·５９·　收稿日期：２０１０－０６－２０

作者简介：吴燕丹（１９７８－），女，广东潮州人，韩山师范学院实验师，硕士，从事分子光谱的研究．内江师范学院学报第２５卷第８期中，通常只介绍库仑的扭秤实验对库仑定律的验证，其实在这之前有两位学者———罗比逊（Ｊ．Ｒｏｂｉｎｓｏｎ，１７３９—

１８０５）和卡文迪许（Ｈ．Ｃａｖｅｎｄｉｓｈ，１７３１—１８１０）作了定量

的实验研究，并得到相同的实验结果，之后麦克斯韦（Ｊ．

Ｃ．Ｍａｘｗｅｌｌ，１８３１—１８７９）等人在提高实验精度方面做出

了不懈的努力．

１７６９年，罗比逊设计了一个杠杆装置，利用活动杆所受重力与电力的平衡，从支架的平衡角度求得电力与距离的关系．不过，他的装置只适合同种电荷进行实验．如果用公式Ｆ∝１／ｒ２＋δ表示，根据实验结果推算得出δ＝０．０６

，

这个δ称为指数偏差．罗比逊认为，指数偏大的原因应归于实验误差，由此得出平方反比定律的结论．

１７７２年，卡文迪许利用空腔带电导体实验，证明了除了带电球腔内点电荷不受电力以外，在腔内与之相连的球导体也不残留电荷．这一实验的成功使验证电力平方反比的方法，由测力法改变为测残留电荷，采用间接测量的方法使实验的精确度得到提高．卡文迪许重复了多次实验，确定电力服从平方反比定律，指数偏差不超过０．０２

，确认

静电力是严格遵从平方反比定律的．但他的研究成果没有发表，直到１００年后，麦克斯韦整理他的手稿的时候，才将这个结果公布．

１７８５年，库仑设计制作了一台精巧的扭秤，能测量小到１０－８　

Ｎ

的微弱作用力，用它来测量同号电荷之间的电

斥力．对于异号电荷之间的电引力，扭秤实验的平衡不稳定，测量很不准确，于是库仑又设计了电单摆，与在万有引力作用下的单摆类似，单摆摆动周期应与摆锤到引力中心的距离成正比，这是与距离平方成反比的万有引力作用的结果，电单摆用电引力代替万有引力，δ＜４×１０－２，

得到了

距离平方反比定律．

库仑的工作得到普遍的承认，后人将电力定律命名为库仑定律．但是，由于扭秤和电单摆实验都是直接测量的实验，即使在现代条件下，其精度都很难有大幅的提高．麦克斯韦认识到卡文迪许的实验提供了电力平方反比定律的有效方法，此时，虽然库仑定律已经建立，麦克斯韦仍采用卡文迪许的间接测量的方法，不仅严格导出了检验电力平方反比律的理论公式，其实验的精度比原来提高了三个数量级，δ＜５×１０－５．２００多年来，随着实验仪器的精密化和实验技术的不断改进，经多人的努力，库仑定律的精度提高了十几个数量级，至１９７１年，威廉等人的实验使δ达到（２．７±３．１）×１０－１６量级．在库仑定律确立的历史过程中可以看出，科学定律和理论的建立不是一蹴而就的，不是一下子就以目前教材中的完善形式提出来的，而是许多科学家经过长期艰苦的探索、猜测、分析、综合、联想、类比、实验验证，经过不懈的努力逐步完善的，体现了人类探索自然规律的科学态度和科学精神．３　明确库仑定律的成立条件，学习分析问题的方法，了解规律的近似性和局限性 在一般教科书的描述中，库仑定律的成立的条件有三条：点电荷、真空、静止，但这三个条件并不都是必要条件．３．１　点电荷是一个理想模型，是成立的条件但不是限制条件．只有点电荷两者之间距离才有确切的含义，但使用叠加原理可以把库仑定律推广至点电荷组或连续带电体，此时必须将它们分解成点电荷来考虑．对于两静止带电体之间的静电力，除了与电荷的数量及相对位置有关外，还依赖于带电体的大小、形状及电荷的分布情况，当两带电体的线度比他们之间的距离小得多时，问题将大为简化，即可把该带电体看作是点电荷，但是究竟带电体的线度比间距要小多少才能被看作点电荷却没有一个绝对的标准，它取决于讨论问题时所要求的精确度．３．２　真空条件既不是成立条件也不是限制条件．目的是为了忽略掉其他电荷的影响，使两个点电荷只受到对方作用．但如果空间存在导体或电介质，它们也会对两电荷产生作用，此时，还必须考虑所有的电荷———真空中电荷、导体的感应电荷、电介质的极化电荷之间相互作用的叠加，于是两个点电荷所受的总作用力将比较复杂，但并不意味着有导体或电介质存在时，库仑定律就不成立了．３．３　静止条件是一个根本的限制条件．静止指相对于惯性系静止，两个点电荷相对静止，相对观察者静止．静止条件可以推广到静止源电荷对运动电荷的作用，但不能推广到运动源电荷对静止或运动电荷的作用，静止电荷产生的电场空间分布是不随时间变化的，运动电荷所受由静止电荷产生的电场力只与两电荷的相对位置和它们的电量有关，与受力电荷的运动无关，即遵从库仑定律．但反过来，静止电荷受到的由运动电荷产生的电场力就不同了，根据狭义相对论，这个力不但与两个电荷的电量、相对位置有关，而且还与运动电荷的速度、加速度有关，它不遵守库仑定律［３］．条件是定律成立的重要依据，对一定的定律，要抓住它成立的条件，存在的背景，脱离了定律、公式存在的条件和背景，空谈各物理量之间的关系，那是毫无意义的．

４　

了解库仑定律的适用范围，培养严谨的科学态度

库仑定律的适用范围是指电力平方反比律适用的ｒ

的尺度．历史上的多个验证实验表明库仑定律在实验室尺度适用，那它是否在任何尺度范围内都适用呢？这是很容易忽视的问题，在此必须强调，库仑定律在什么尺度范围内适用，也必须经过实验的验证才能确定．１９２１年卢瑟福（Ｅ．Ｒｕｔｈｅｒｆｏｌｄ，１８７１—１９３７）α散射实验证明了在原子核

尺度１０－１５　ｍ，电力平方反比律适用．迄今的高能电子———正电子散射实验已探测到１０－１８　

ｍ

的相互作用情况，证明

电力平方反比律仍适用［４］．另外，地球物理实验表明，在大

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