高师物理规律教学初探——以库仑定律为例

吴燕丹

（韩山师范学院 物理与电子工程系，广东 潮州 521041）

高师物理规律教学初探
——以库仑定律为例

吴燕丹

（韩山师范学院 物理与电子工程系，广东 潮州 521041）

高师物理规律教学须适应高中物理新课标的要求，要更加注重物理规律的内涵和本质的理解，重视科学研究方法的学习，以库仑定律为例，阐述了物理规律教学的体会。

物理规律；库仑定律；科学研究方法

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，就提出了更高的高求，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的学习物理知识和规律，为从事基础教育做好充分准备。

1 掌握物理思想方法——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，在一般教科书中，一般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10-8N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， <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，

<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 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

在一般教科书中的描述中，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。

（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。

（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）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]。

成立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） 散射实验证明了在原子核尺度10-15m，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10-18m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，在大到107m，电力平方反比律同样适用。对于<10-18m和>107m的尺度范围，电力平方反比律是否适用，还待实验的进一步证明。对库仑定律适用范围的强调，有利于增强学生独立收集资料的积极性，更有利于培养学生实事求是、严谨的科学态度。

5 对比万用引力和库仑定律，讨论自然规律的多样性和统一性

库仑定律既是一个实验定律，也可以说是牛顿的引力定律在电学中的一个推论，不论从哪一方面来说，它都与牛顿力学有关[5]。与其说是库仑发现了库仑定律，还不如说是库仑用扭秤验证了万有引力定律在电学中的类比推理。所以它们之间具有一系列相似性，也存在一定的差异性。

相似性：

（1）万有引力定律和库仑定律都符合电力平方反比律。

（2）万有引力和库仑力都是场力。电荷间相互作用是通过它们各自的电场来传递的；二物体间相互作用的万用引力是通过它们各自产生的引力场进行的。

（3）万有引力和库仑力都是有心力，都是保守力，它们对质点或电荷所做的功只与质点或电荷的初末位置有关，而与由起点到终点的运动路径无关。在万用引力作用下的质点动能和引力势能总和守恒；在库仑力作用下的电荷动能和电势能总和守恒。

差异性：

（1）力的本质不同，静电相互作用强弱跟点电荷电荷量有关，引力作用的强弱与质点的质量有关。

（2）由于质量只有一种，没有正负之分，其间总是彼此吸引，因而只有万有引力，没有“万有斥力”；电荷则有正负两种，同种相斥，异种相吸，库仑力有引力和斥力之分。

（3）在微观粒子间，两种力差别悬殊，通过计算得出，电子和质子间的库仑力是它们间的万有引力的2.3×1039倍。因此在研究微观粒子间的相互作用时，万有引力一般可忽略不计。

库仑定律是静电学的基础，也是最精确的物理实验定律之一，由于课时的限制，教师不一定能对每一部分进行详细的讲解，以上对该定律教学的讨论，目的在于引导学生更加注重对物理规律的内涵和本质的理解，对科学研究方法的把握和对物理思想的培养，也起到抛砖引玉的作用，学生在学习其他物理规律时候，可以根据上述的学习目的收集资料并互相探讨。

[1]陈秉乾,舒幼生.电磁学专题研究[M].北京:高等教育出版社,2001.

[2]兰志高,万小龙.类比推理在库仑定律建立中的作用——兼论类比推理的局限性[M].物理实验,2008(11)：37-41.

[3]李艳萍.关于库仑定理适用条件的研究[J].辽宁师专学报,2000(1):35-37。

[4]徐在新,钱振华.库仑定律的精确度[J].物理教学,2010(4)：4-6.

[5]宗德生,李国栋.电磁学发展史[M].南宁：广西人民出版社,1986.

G642

A

1673-2219（2010）12-0036-03

2010－10－16

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。

（责任编校：何俊华）