高師物理規(guī)律教學(xué)初探
——以庫侖定律為例

吳燕丹

（韓山師范學(xué)院 物理與電子工程系，廣東 潮州 521041）

高師物理規(guī)律教學(xué)初探
——以庫侖定律為例

吳燕丹

（韓山師范學(xué)院 物理與電子工程系，廣東 潮州 521041）

高師物理規(guī)律教學(xué)須適應(yīng)高中物理新課標(biāo)的要求，要更加注重物理規(guī)律的內(nèi)涵和本質(zhì)的理解，重視科學(xué)研究方法的學(xué)習(xí)，以庫侖定律為例，闡述了物理規(guī)律教學(xué)的體會(huì)。

物理規(guī)律；庫侖定律；科學(xué)研究方法

在傳統(tǒng)的物理教學(xué)中，十分強(qiáng)調(diào)物理概念、物理規(guī)律的結(jié)論及其利用規(guī)律進(jìn)行推演解題，對(duì)物理概念的內(nèi)涵、規(guī)律形成的過程的教學(xué)都不夠重視，致使大部分學(xué)生對(duì)物理規(guī)律的理解流于表面，只了解物理規(guī)律的內(nèi)容和數(shù)學(xué)表達(dá)式，利用公式解題，忽視了物理規(guī)律的內(nèi)涵、本質(zhì)的學(xué)習(xí)和理解。高中物理新課程標(biāo)準(zhǔn)明確指出，高中物理教學(xué)旨在進(jìn)一步提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，在繼續(xù)學(xué)習(xí)基本物理知識(shí)和技能的同時(shí)，體驗(yàn)科學(xué)探究過程，了解科學(xué)研究方法，體會(huì)人類探索自然規(guī)律的科學(xué)態(tài)度和科學(xué)精神。對(duì)于高等師范教育，其任務(wù)是培養(yǎng)基礎(chǔ)教育的師資力量，在新課程背景下，高師物理教育也必須做出相應(yīng)的改革，單物理規(guī)律學(xué)習(xí)這一方面，就提出了更高的高求，必須對(duì)物理規(guī)律的內(nèi)涵，規(guī)律建立過程中所運(yùn)用的科學(xué)研究方法等有更深刻的理解和探索。

物理規(guī)律包括物理定律、原理和定理。而一個(gè)物理定律的建立本身就是物理學(xué)取得很大進(jìn)展的標(biāo)志，物理定律具有豐富、深刻的內(nèi)涵和外延，體現(xiàn)了深刻的物理思想，物理規(guī)律建立的過程一般包括（1）觀察現(xiàn)象；（2）提出命題；（3）猜測答案；（4）理論預(yù)言（5）設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)測量；（5）修改理論、發(fā)現(xiàn)規(guī)律；（6）形成定理、定律（7）考察成立條件、適用范圍、精度、理論地位及現(xiàn)代含義[1]。由此可見，物理的學(xué)習(xí)過程，對(duì)物理規(guī)律的理解，并不單單知道規(guī)律的結(jié)論，如何用規(guī)律解題，更重要的是了解規(guī)律的內(nèi)涵和本質(zhì)，并逐漸形成分析問題、解決問題的思想方法和獨(dú)立創(chuàng)新的“潛在意識(shí)”。庫侖定律是電磁學(xué)的基礎(chǔ)，下面將從該定律出發(fā)，淺談高師物理規(guī)律教學(xué)的體會(huì)，旨在引導(dǎo)師范生更深入的學(xué)習(xí)物理知識(shí)和規(guī)律，為從事基礎(chǔ)教育做好充分準(zhǔn)備。

1 掌握物理思想方法——類比推理

最初富蘭克林(B. Franklin，1706—1790) 觀察到放在金屬杯中的軟木小球完全不受金屬杯上電荷的影響，后來普里斯特列(J. Priestley，1733—1804)重復(fù)了這個(gè)實(shí)驗(yàn)并立刻想到這一現(xiàn)象與萬有引力情形非常相似。牛頓在《自然哲學(xué)和數(shù)學(xué)原理》中，利用萬有引力與距離平方成反比的規(guī)律，證明了在均勻物質(zhì)球殼內(nèi)的物質(zhì)不會(huì)受到來自殼體本身物質(zhì)的作用力。因此，他猜測電力與萬有引力有相同的規(guī)律，兩個(gè)電荷間作用力應(yīng)與它們之間距離的平方成反比，即F∝r-2。這是一項(xiàng)很重要的類比推理[2]，是歷史上對(duì)電力與距離平方成反比的最早認(rèn)識(shí)。

在教學(xué)中我們往往把物理規(guī)律視為邏輯推理的必然，忽視了其中的主觀創(chuàng)造成分，忽視了物理思想方法的重大作用。在從牛頓萬有引力定律到庫侖定律的類比推理過程中，充分體現(xiàn)了類比推理的物理思想對(duì)科學(xué)發(fā)展的推動(dòng)作用。當(dāng)然，科學(xué)規(guī)律發(fā)現(xiàn)的模式也是多種多樣的，對(duì)大量事實(shí)材料進(jìn)行整理，歸納出經(jīng)驗(yàn)定律的研究方法并不一定是萬能的良方，把已有理論的某些思想應(yīng)用到新的研究領(lǐng)域也是重要的研究方式，全面掌握科學(xué)發(fā)現(xiàn)的物理思想方法，可使學(xué)習(xí)者、研究者思路開闊，思維活躍，少走彎路。

2 從實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證，了解規(guī)律的確立過程和科學(xué)研究方法

現(xiàn)今公認(rèn)的庫侖定律是由庫侖定律是由法國物理學(xué)家?guī)靵?A. Coulomb， 1736—1806)在1785年發(fā)現(xiàn)的，在一般教科書中，一般只介紹庫侖的扭秤實(shí)驗(yàn)對(duì)庫侖定律的驗(yàn)證，其實(shí)在這之前有兩位學(xué)者——羅比遜(J. Robinson，

1739—1805)和卡文迪許(H. Cavendish，1731—1810)作了定量的實(shí)驗(yàn)研究，并得到相同的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，之后麥克斯韋(J. C.Maxwell，1831—1879)等人在提高實(shí)驗(yàn)精度方面做出了不懈的努力。

1769年，羅比遜設(shè)計(jì)了一個(gè)杠桿裝置，利用活動(dòng)桿所受重力與電力的平衡，從支架的平衡角度求得電力與距離的關(guān)系。不過，他的裝置只適合同種電荷進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。如果用公式F 1∝/ r2+δ表示，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果推算得出δ=0.06 ，這個(gè)δ稱為指數(shù)偏差。羅比遜認(rèn)為，指數(shù)偏大的原因應(yīng)歸于實(shí)驗(yàn)誤差，由此得出平方反比定律的結(jié)論。

1772年，卡文迪許利用空腔帶電導(dǎo)體實(shí)驗(yàn)，證明了除了帶電球腔內(nèi)點(diǎn)電荷不受電力以外，在腔內(nèi)與之相連的球?qū)w也不殘留電荷。這一實(shí)驗(yàn)的成功使驗(yàn)證電力平方反比的方法，由測力法改變?yōu)闇y殘留電荷，采用間接測量的方法使實(shí)驗(yàn)的精確度得到提高?？ㄎ牡显S重復(fù)了多次實(shí)驗(yàn)，確定電力服從平方反比定律，指數(shù)偏差不超過0.02，確認(rèn)靜電力是嚴(yán)格遵從平方反比定律的。但他的研究成果沒有發(fā)表，直到100年后，麥克斯韋整理他的手稿的時(shí)候，才將這個(gè)結(jié)果公布。

1785年，庫侖設(shè)計(jì)制作了一臺(tái)精巧的扭秤，能測量小到10-8N的微弱作用力，用它來測量同號(hào)電荷之間的電斥力。對(duì)于異號(hào)電荷之間的電引力，扭秤實(shí)驗(yàn)的平衡不穩(wěn)定，測量很不準(zhǔn)確，于是庫侖又設(shè)計(jì)了電單擺，與在萬有引力作用下的單擺類似，單擺擺動(dòng)周期應(yīng)與擺錘到引力中心的距離成正比，這是與距離平方成反比的萬有引力作用的結(jié)果，電單擺用電引力代替萬有引力， <4×10-2，得到了距離平方反比定律。

庫侖的工作得到普遍的承認(rèn)，后人將電力定律命名為庫侖定律。但是，由于扭秤和電單擺實(shí)驗(yàn)都是直接測量的實(shí)驗(yàn)，即使在現(xiàn)代條件下，其精度都很難有大幅的提高。麥克斯韋認(rèn)識(shí)到卡文迪許的實(shí)驗(yàn)提供了電力平方反比定律的有效方法，此時(shí)，雖然庫侖定律已經(jīng)建立，麥克斯韋仍采用卡文迪許的間接測量的方法，不僅嚴(yán)格導(dǎo)出了檢驗(yàn)電力平方反比律的理論公式，其實(shí)驗(yàn)的精度比原來提高了三個(gè)數(shù)量級(jí)，

<5×10-5。200多年來，隨著實(shí)驗(yàn)儀器的精密化和實(shí)驗(yàn)技術(shù)的不斷改進(jìn)，經(jīng)多人的努力，庫侖定律的精度提高了十幾個(gè)數(shù)量級(jí)，至1971年，威廉等人的實(shí)驗(yàn)使 達(dá)到(2.7±3.1)×10-16量級(jí)。

在庫侖定律確立的歷史過程中可以看出，科學(xué)定律和理論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來的，而是許多科學(xué)家經(jīng)過長期艱苦的探索、猜測、分析、綜合、聯(lián)想、類比、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，經(jīng)過不懈的努力逐步完善的，體現(xiàn)了人類探索自然規(guī)律的科學(xué)態(tài)度和科學(xué)精神。

3 明確庫侖定律的成立條件，學(xué)習(xí)分析問題的方法，了解規(guī)律的近似性和局限性

在一般教科書中的描述中，庫侖定律的成立的條件有三條：點(diǎn)電荷、真空、靜止，但這三個(gè)條件并不都是必要條件。

（1）點(diǎn)電荷是一個(gè)理想模型，是成立的條件但不是限制條件。只有點(diǎn)電荷兩者之間距離才有確切的含義，但使用疊加原理可以把庫侖定律推廣至點(diǎn)電荷組或連續(xù)帶電體，此時(shí)必須將它們分解成點(diǎn)電荷來考慮。對(duì)于兩靜止帶電體之間的靜電力，除了與電荷的數(shù)量及相對(duì)位置有關(guān)外，還依賴于帶電體的大小、形狀及電荷的分布情況，當(dāng)兩帶電體的線度比他們之間的距離小得多時(shí)，問題將大為簡化，即可把該帶電體看作是點(diǎn)電荷，但是究竟帶電體的線度比間距要小多少才能被看作點(diǎn)電荷卻沒有一個(gè)絕對(duì)的標(biāo)準(zhǔn)，它取決于討論問題時(shí)所要求的精確度。

（2）真空條件既不是成立條件也不是限制條件。目的是為了忽略掉其他電荷的影響，使兩個(gè)點(diǎn)電荷只受到對(duì)方作用。但如果空間存在導(dǎo)體或電介質(zhì)，它們也會(huì)對(duì)兩電荷產(chǎn)生作用，此時(shí)，還必須考慮所有的電荷——真空中電荷、導(dǎo)體的感應(yīng)電荷、電介質(zhì)的極化電荷之間相互作用的疊加，于是兩個(gè)點(diǎn)電荷所受的總作用力將比較復(fù)雜，但并不意味著有導(dǎo)體或電介質(zhì)存在時(shí)，庫侖定律就不成立了。

（3）靜止條件是一個(gè)根本的限制條件，靜止指相對(duì)于慣性系靜止，兩個(gè)點(diǎn)電荷相對(duì)靜止，相對(duì)觀察者靜止。靜止條件可以推廣到靜止源電荷對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷的作用，但不能推廣到運(yùn)動(dòng)源電荷對(duì)靜止或運(yùn)動(dòng)電荷的作用，靜止電荷產(chǎn)生的電場空間分布是不隨時(shí)間變化的，運(yùn)動(dòng)電荷所受由靜止電荷產(chǎn)生的電場力只與兩電荷的相對(duì)位置和它們的電量有關(guān)，與受力電荷的運(yùn)動(dòng)無關(guān)，即遵從庫侖定律。但反過來，靜止電荷受到的由運(yùn)動(dòng)電荷產(chǎn)生的電場力就不同了，根據(jù)狹義相對(duì)論，這個(gè)力不但與兩個(gè)電荷的電量、相對(duì)位置有關(guān)，而且還與運(yùn)動(dòng)電荷的速度，加速度有關(guān)，它不遵守庫侖定律[3]。

成立條件是定律成立的重要依據(jù)，對(duì)一定的定律，要抓住它成立的條件，存在的背景，脫離了定律、公式存在的條件和背景，空談各物理量之間的關(guān)系，那是毫無意義的。

4 了解庫侖定律的適用范圍，培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度

庫侖定律的適用范圍是指電力平方反比律適用的r的尺度。歷史上的多個(gè)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)表明庫侖定律在實(shí)驗(yàn)室尺度適用，那它是否在任何尺度范圍內(nèi)都適用呢？這是很容易忽視的問題，在此必須強(qiáng)調(diào)，庫侖定律在什么尺度范圍內(nèi)適用，也必須經(jīng)過實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證才能確定。1921年盧瑟福（E. Rutherfold，1871—1937） 散射實(shí)驗(yàn)證明了在原子核尺度10-15m，電力平方反比律適用。迄今的高能電子——正電子散射實(shí)驗(yàn)已探測到10-18m的相互作用情況，證明電力平方反比律仍適用[4]。另外，地球物理實(shí)驗(yàn)表明，在大到107m，電力平方反比律同樣適用。對(duì)于<10-18m和>107m的尺度范圍，電力平方反比律是否適用，還待實(shí)驗(yàn)的進(jìn)一步證明。對(duì)庫侖定律適用范圍的強(qiáng)調(diào)，有利于增強(qiáng)學(xué)生獨(dú)立收集資料的積極性，更有利于培養(yǎng)學(xué)生實(shí)事求是、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度。

5 對(duì)比萬用引力和庫侖定律，討論自然規(guī)律的多樣性和統(tǒng)一性

庫侖定律既是一個(gè)實(shí)驗(yàn)定律，也可以說是牛頓的引力定律在電學(xué)中的一個(gè)推論，不論從哪一方面來說，它都與牛頓力學(xué)有關(guān)[5]。與其說是庫侖發(fā)現(xiàn)了庫侖定律，還不如說是庫侖用扭秤驗(yàn)證了萬有引力定律在電學(xué)中的類比推理。所以它們之間具有一系列相似性，也存在一定的差異性。

相似性：

（1）萬有引力定律和庫侖定律都符合電力平方反比律。

（2）萬有引力和庫侖力都是場力。電荷間相互作用是通過它們各自的電場來傳遞的；二物體間相互作用的萬用引力是通過它們各自產(chǎn)生的引力場進(jìn)行的。

（3）萬有引力和庫侖力都是有心力，都是保守力，它們對(duì)質(zhì)點(diǎn)或電荷所做的功只與質(zhì)點(diǎn)或電荷的初末位置有關(guān)，而與由起點(diǎn)到終點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)路徑無關(guān)。在萬用引力作用下的質(zhì)點(diǎn)動(dòng)能和引力勢能總和守恒；在庫侖力作用下的電荷動(dòng)能和電勢能總和守恒。

差異性：

（1）力的本質(zhì)不同，靜電相互作用強(qiáng)弱跟點(diǎn)電荷電荷量有關(guān)，引力作用的強(qiáng)弱與質(zhì)點(diǎn)的質(zhì)量有關(guān)。

（2）由于質(zhì)量只有一種，沒有正負(fù)之分，其間總是彼此吸引，因而只有萬有引力，沒有“萬有斥力”；電荷則有正負(fù)兩種，同種相斥，異種相吸，庫侖力有引力和斥力之分。

（3）在微觀粒子間，兩種力差別懸殊，通過計(jì)算得出，電子和質(zhì)子間的庫侖力是它們間的萬有引力的2.3×1039倍。因此在研究微觀粒子間的相互作用時(shí)，萬有引力一般可忽略不計(jì)。

庫侖定律是靜電學(xué)的基礎(chǔ)，也是最精確的物理實(shí)驗(yàn)定律之一，由于課時(shí)的限制，教師不一定能對(duì)每一部分進(jìn)行詳細(xì)的講解，以上對(duì)該定律教學(xué)的討論，目的在于引導(dǎo)學(xué)生更加注重對(duì)物理規(guī)律的內(nèi)涵和本質(zhì)的理解，對(duì)科學(xué)研究方法的把握和對(duì)物理思想的培養(yǎng)，也起到拋磚引玉的作用，學(xué)生在學(xué)習(xí)其他物理規(guī)律時(shí)候，可以根據(jù)上述的學(xué)習(xí)目的收集資料并互相探討。

[1]陳秉乾,舒幼生.電磁學(xué)專題研究[M].北京:高等教育出版社,2001.

[2]蘭志高,萬小龍.類比推理在庫侖定律建立中的作用——兼論類比推理的局限性[M].物理實(shí)驗(yàn),2008(11)：37-41.

[3]李艷萍.關(guān)于庫侖定理適用條件的研究[J].遼寧師專學(xué)報(bào),2000(1):35-37。

[4]徐在新,錢振華.庫侖定律的精確度[J].物理教學(xué),2010(4)：4-6.

[5]宗德生,李國棟.電磁學(xué)發(fā)展史[M].南寧：廣西人民出版社,1986.

G642

A

1673-2219（2010）12-0036-03

2010－10－16

吳燕丹（1978－），女，廣東潮州人，韓山師范學(xué)院實(shí)驗(yàn)師，碩士，從事分子光譜的研究。

（責(zé)任編校：何俊華）