庫侖定律的教學(xué)價值*①

于 軍 朱偉玲 吳登平

(廣東石油化工學(xué)院 廣東 茂名 525000)

1 引言

庫侖定律是電磁學(xué)發(fā)展史上人類提出的第一條定量規(guī)律.該定律的提出，標(biāo)志著人類對電磁現(xiàn)象的研究從定性進(jìn)入到了定量階段.庫侖定律是牛頓引力理論的發(fā)展，是高斯定理的有力支撐，為靜電學(xué)和靜磁學(xué)提供了理論武器，使人類對電磁學(xué)的研究少走了不少彎路，直接形成了嚴(yán)密的電磁規(guī)律.從教學(xué)方面看，庫侖定律是電磁學(xué)內(nèi)容開篇后遇到的第一條規(guī)律.在教學(xué)內(nèi)容的邏輯安排上，庫侖定律是為點(diǎn)電荷電場分布函數(shù)的引入服務(wù)的，而點(diǎn)電荷電場分布函數(shù)又是其他帶電物體電場分布函數(shù)的基元形式.由此可見，庫侖定律是電磁學(xué)規(guī)律建立過程的一座里程碑，也是電磁學(xué)教學(xué)中一個非常重要的橋頭堡.

在國內(nèi)影響力較大，使用面較廣的幾套大學(xué)教材基本都是將電荷、電荷守恒、電荷量子化與庫侖定律作為電磁學(xué)開篇內(nèi)容，隨后引出“靜電場”概念，進(jìn)而利用庫侖定律定量推出點(diǎn)電荷電場分布函數(shù)，再利用疊加原理給出其他帶電物體電場分布函數(shù)的一般求解方法.實(shí)際教學(xué)中，該知識點(diǎn)大多被做如下處理：在給出庫侖定律的文字形式與數(shù)學(xué)形式后，對力的方向、大小及定律的成立條件做幾點(diǎn)說明，隨后迅速轉(zhuǎn)入到“靜電場”的教學(xué)中.在庫侖定律的講解過程中，部分教師會提及庫侖扭秤，但很少展開.這種處理方式大多源于主講教師的以下認(rèn)識： “電磁場”是電磁學(xué)中最重要的概念之一，必須深入理解；而關(guān)于幾種典型靜電場場強(qiáng)分布函數(shù)的計(jì)算則是必須熟練掌握的考點(diǎn).基于為“靜電場”這個中心概念服務(wù)的需要，庫侖定律僅僅是為他人之需而充當(dāng)服務(wù)生的角色，無需細(xì)講.如果我們從以下兩個方面來考慮，可能就不會如此輕率地處理這部分內(nèi)容了.

2 庫侖定律的產(chǎn)生是多種科學(xué)方法合理使用的結(jié)果①

創(chuàng)新人才的培養(yǎng)、綜合素質(zhì)的提高是現(xiàn)代教育的主要任務(wù)之一.科學(xué)發(fā)展史表明，任何新的科學(xué)發(fā)現(xiàn)都是一系列科學(xué)方法被合理采用的必然結(jié)果.所以，創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)離不開科學(xué)方法教育.從定律形成的微觀細(xì)節(jié)看,首先是牛頓于1687年提出了萬有引力理論，為庫侖定律的形成樹立了一個可供臨摹的范本.1759年，愛皮努斯對電力所作的“電荷之間的斥力和吸力隨帶電物體的距離的減少而增大”的假設(shè)，是觀察了諸多靜電現(xiàn)象之后所作的科學(xué)歸納.1760年，D·伯努利首先猜測“電力服從平方反比定律”；基于電力與萬有引力的類比，進(jìn)而將牛頓的引力理論想當(dāng)然地拓展到了電磁領(lǐng)域.1767年，英國人普利斯特利在他的《電學(xué)歷史和現(xiàn)狀及其原始實(shí)驗(yàn)》一書中寫道的重要結(jié)論：電的吸引與萬有引力服從同一定律，即距離的平方.這是基于之前的兩個事實(shí)所給出的科學(xué)推理與判斷.一個是富蘭克林的空罐實(shí)驗(yàn)(也叫冰桶實(shí)驗(yàn)).富蘭克林發(fā)現(xiàn)，懸吊于帶電金屬罐內(nèi)的軟木球不受金屬罐上電荷的作用.另一個事實(shí)是牛頓早在1687年就從理論上證明過的，如果萬有引力服從平方反比定律，則均勻的物質(zhì)球殼對殼內(nèi)物體應(yīng)無作用.普利斯特利將這兩個事件聯(lián)系起來，大膽給出了科學(xué)推斷.他的工作標(biāo)志著庫侖定律的發(fā)現(xiàn)上了一個層次,從原始的基于某些自然現(xiàn)象的猜測發(fā)展到有一定實(shí)驗(yàn)支持的科學(xué)推斷，期間科學(xué)方法起到了關(guān)鍵作用.

普利斯特利的工作將庫侖定律引入到科學(xué)驗(yàn)證階段，該階段是比較與分類、分析與綜合、歸納與演繹、理想化、類比、等效轉(zhuǎn)換、理論指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)等諸多科學(xué)方法的集中體現(xiàn).1769年，蘇格蘭人羅比遜的杠桿裝置將“力的作用”轉(zhuǎn)化為“力矩的作用”，從而第一次從實(shí)驗(yàn)的角度直接驗(yàn)證了庫侖定律.1773年，英國人卡文迪什的同心球?qū)嶒?yàn)被認(rèn)為是物理實(shí)驗(yàn)的典范.他用的是當(dāng)年最原始的電測儀器，卻獲得了超乎時代的精確結(jié)果.他成功的關(guān)鍵在于掌握了牛頓萬有引力定律這一理論武器，通過數(shù)學(xué)處理，將直接測量變?yōu)殚g接測量，并且用了示零法精確地判斷結(jié)果，從而得到了電力的平方反比定律.1785年,庫侖的扭秤實(shí)驗(yàn)是一個劃時代的偉大實(shí)驗(yàn)，他利用力矩平衡的思路，通過對懸絲的扭轉(zhuǎn)力矩的測量，實(shí)現(xiàn)了對靜電斥力的測量；而用于測量異號電荷間靜電引力的庫侖振蕩扭秤的設(shè)計(jì)思想,則源于力學(xué)中物體的擺動周期與引力強(qiáng)弱間的定量關(guān)系.

從庫侖定律形成的宏觀過程看，先是觀察現(xiàn)象，提出問題，猜測答案；再是設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)測試，歸納尋找關(guān)系，形成定律(理)；最后考察成立條件、適用范圍,提出嚴(yán)格的表達(dá)形式,探尋其理論地位.可見，庫侖定律的建立經(jīng)歷了一個科學(xué)的探究過程，過程的科學(xué)性保證了結(jié)論的可靠性.縱觀庫侖定律的發(fā)現(xiàn)過程，期間一直貫穿著“科學(xué)方法引導(dǎo)科學(xué)發(fā)現(xiàn)”這一主線，而庫侖定律的數(shù)學(xué)形式

3 在教學(xué)內(nèi)容安排上庫侖定律具有承前啟后的作用

從教學(xué)內(nèi)容安排上看，《電磁學(xué)》一般是在學(xué)生學(xué)習(xí)完《力學(xué)》之后，《近代物理》之前開設(shè)，所以，電磁學(xué)中的內(nèi)容往往具有承前啟后的作用.從方法論講，人類用科學(xué)的方法得到了電磁理論，我們在實(shí)際教學(xué)中也應(yīng)采用科學(xué)合理的方法處理相應(yīng)內(nèi)容，才能展示出內(nèi)容上的承前啟后，體現(xiàn)出教學(xué)效果與形式的完美統(tǒng)一.以“庫侖定律”一節(jié)為例，采用與質(zhì)點(diǎn)力學(xué)引力理論相對比的“對比法”是合適的、恰當(dāng)?shù)?“庫侖定律”是在介紹了“點(diǎn)電荷”模型之后引入的，“點(diǎn)電荷”與“質(zhì)點(diǎn)”本是一對相類似的理想模型.作用于兩個不相接觸質(zhì)點(diǎn)之間的是萬有引力，而作用于兩個不相接觸點(diǎn)電荷之間的則是庫侖力,二者的數(shù)學(xué)形式具有高度的相似性.萬有引力是保守力，萬有引力場是保守場，該場中可以引入勢(能)函數(shù)；相似的是，庫侖力也是保守力，靜電場也是保守場，該場中也可以引入勢(能)函數(shù).靜電場中可以用電場強(qiáng)度來描述電場對點(diǎn)電荷的作用力，同樣在引力場中也是可以引入“引力場強(qiáng)度”來描述引力場對質(zhì)點(diǎn)的作用力……如此“對比”講解，學(xué)生在順利學(xué)到電學(xué)知識的同時，還對力學(xué)知識點(diǎn)進(jìn)行了鞏固與拓展，可謂一舉多得.

通過對庫侖定律成立條件“點(diǎn)電荷”的講解，使學(xué)生了解到合理的“抽象”是一種科學(xué)方法.通過對庫侖定律成立條件“真空”的分析，為后續(xù)“電介質(zhì)”內(nèi)容做好鋪墊；通過對庫侖定律成立條件“靜止”的強(qiáng)調(diào)，一方面為后續(xù)內(nèi)容“運(yùn)動電荷產(chǎn)生磁場”、“磁場對運(yùn)動電荷有磁場力的作用”做鋪墊,另一方面也為《電動力學(xué)》中的相應(yīng)內(nèi)容預(yù)留了接口.通過對庫侖定律中的平方反比定律精確度的介紹，可使學(xué)生進(jìn)一步了解到庫侖定律的重要即它直接關(guān)系著磁單極的存在與否;直接關(guān)系光子的靜止質(zhì)量;更直接關(guān)系經(jīng)典電磁理論與狹義相對論這兩大理論的正確性，進(jìn)而對現(xiàn)有物理學(xué)理論體系產(chǎn)生著重大而深遠(yuǎn)的影響……相信，以上的處理有利于學(xué)生將所學(xué)各方面知識融會貫通，也有利于學(xué)生對“理論體系”有一個感性認(rèn)識.雄偉、壯麗的大廈由許多立柱、橫梁承載，其中任何一個不起眼的柱體、橫梁都可能對整幢大廈的安全性產(chǎn)生決定性的影響.

4 結(jié)語

通過以上分析可以看出，庫侖定律是人類對大量實(shí)驗(yàn)事實(shí)進(jìn)行科學(xué)、理性的思維后產(chǎn)生的直接結(jié)果.庫侖定律是集諸多科學(xué)方法于一體的產(chǎn)物，在教學(xué)中具有無與倫比的科學(xué)方法教育的價值.實(shí)際教學(xué)中如果無視其自身豐富的科學(xué)方法教育價值，僅僅將其處理成一個為他人之需的服務(wù)生角色，則無異于“買櫝還珠”.庫侖定律在內(nèi)容安排上具有承前啟后的作用，處理得好可以使學(xué)生在順利接受新知識的同時又對舊知識進(jìn)行了鞏固與拓展，還為今后的知識點(diǎn)作了必要的鋪墊，預(yù)留下一些知識對接的接口.教學(xué)內(nèi)容的處理很大程度取決于教師的教學(xué)理念與課時數(shù)，對于一個有著現(xiàn)代教育理念的物理教師而言是不應(yīng)該輕易糟蹋掉這樣一個科學(xué)方法教育的典型素材的.

參考文獻(xiàn)

1 郭奕玲,沈慧君. 物理學(xué)史. 北京：清華大學(xué)出版社.1993.118～123