高中物理靜電磁場教學(xué)中要弄清的幾個(gè)問題

張成祥

摘 要： 在高中物理選修3-1的教學(xué)中，電場一章的教學(xué)難點(diǎn)很多。對(duì)一些問題的認(rèn)識(shí)教師也有些模糊，很有必要弄清楚，作者對(duì)有關(guān)問題分析了自己的認(rèn)識(shí)和見解。

關(guān)鍵詞： 電磁場 庫侖定律 電量 電荷

一、關(guān)于庫侖定律成立的條件

1.庫侖定律是否一定要在“真空”中才成立？

很多老師在講解定律成立條件時(shí)過于強(qiáng)調(diào)“真空”這個(gè)條件。事實(shí)上“真空”不是定律成立的必要條件，但為了讓表達(dá)和計(jì)算簡便，再加上要考慮歷史的原因，現(xiàn)行教科書中庫侖定律適用條件的表達(dá)仍習(xí)慣表達(dá)為真空中的兩個(gè)點(diǎn)靜止的點(diǎn)電荷。這是因?yàn)榧词箖蓚€(gè)點(diǎn)電荷周圍不是真空，存在某種其他物質(zhì)（帶電體、導(dǎo)體、介質(zhì)等）時(shí)，我們?nèi)匀豢梢赃\(yùn)用疊加原理和庫侖定律計(jì)算靜電力。

2.如何理解庫侖定律成立條件中的“靜止”？

電荷“靜止”是庫侖定律成立的必要條件，其含義包括：兩個(gè)點(diǎn)電荷相對(duì)靜止，點(diǎn)電荷相對(duì)觀察者是靜止的。這個(gè)條件可外推，靜電荷對(duì)動(dòng)電荷的作用庫侖定律仍然適用，但考慮運(yùn)動(dòng)電荷對(duì)靜電荷的作用時(shí)庫侖定律不再適用。并由此得出一個(gè)值得注意的問題，靜止電荷與靜止電荷的相互作用遵守牛頓第三定律，但靜止電荷與運(yùn)動(dòng)電荷的相互作用不再遵守牛頓第三定律，原因是運(yùn)動(dòng)電荷產(chǎn)生電磁場要考慮電磁場對(duì)電荷的作用。

二、關(guān)于物體最多能帶多少電量問題

物體的帶電量是有極限的，一個(gè)帶電體最多能帶多少電量是值得注意的問題。在很多教參和教師自編的練習(xí)中，在設(shè)定物體的帶電量時(shí)往往為了數(shù)值計(jì)算的方便，把帶電體帶電量的數(shù)量級(jí)設(shè)為負(fù)3、負(fù)3次方數(shù)量級(jí)（庫侖），更有甚者設(shè)為2C、10C、200C不等，這是極不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)摹Ｊ聦?shí)上，通過理論推算一般的物體的帶電量極限值大約在10的負(fù)8次方數(shù)量級(jí)（庫侖）。我們不妨做一個(gè)很粗略的推算。一般的小電容器電容量只有幾個(gè)皮法，即10的負(fù)12次方法拉，而帶電體間的電勢(shì)差達(dá)10的4次方伏（數(shù)千伏到上萬伏）時(shí)就會(huì)放電。據(jù)電容公式可以推出，因?yàn)橐话銕щ婓w物體與周圍帶電體構(gòu)成電容器要比實(shí)際電容器的電容值更小，所以其帶電量不會(huì)超過10的負(fù)8、9次方這個(gè)數(shù)量級(jí)。也就是說，我們?cè)诰幘毩?xí)時(shí)設(shè)置物體帶電量的數(shù)量級(jí)最大不能超過10的負(fù)8次方庫侖，否則就屬科學(xué)性錯(cuò)誤。

三、關(guān)于點(diǎn)電荷和檢驗(yàn)電荷

“點(diǎn)電荷”是一個(gè)沒有大小和形狀的幾何點(diǎn)，電荷全部集中在這幾何點(diǎn)上。事實(shí)上，任何帶電體都有其大小和形狀，真正的點(diǎn)電荷是不存在的，它是一個(gè)理想化模型。不過，當(dāng)我們?cè)谘芯繋щ婓w間的相互作用時(shí)，如果帶電體本身的幾何尺寸比起它們之間的距離小得很多，那么帶電體的形狀、大小和電荷分布對(duì)帶電體之間的相互作用的影響可以忽略不計(jì)。在此情況下，我們可以把帶電體抽象成點(diǎn)電荷模型。只有這樣，“電荷之間的距離”才會(huì)有確定的含義。學(xué)生有了質(zhì)點(diǎn)的概念，對(duì)點(diǎn)電荷的理解并不難。但值得注意的是，有部分學(xué)生誤認(rèn)為點(diǎn)電荷帶電量應(yīng)該很小。事實(shí)上，對(duì)點(diǎn)電荷的帶電量是沒有限制的，可以很小也可以很大的（當(dāng)然要求以上第二點(diǎn)所述范圍內(nèi)）。

所謂“檢驗(yàn)電荷”有以下兩個(gè)要求：一是檢驗(yàn)電荷的幾何線度必須足夠小，即可以把它看做點(diǎn)電荷，只有這樣才可以用它確定空間各點(diǎn)的電場性質(zhì)。二是檢驗(yàn)電荷的帶電量要足夠小，使得它的引入不會(huì)引起場源電荷分布發(fā)生改變而影響原有電場，這樣測(cè)得的場性質(zhì)才是原來存在的場性質(zhì)。有人認(rèn)為，從場強(qiáng)的定義知道，場強(qiáng)與體驗(yàn)電荷是無關(guān)的，所以對(duì)檢驗(yàn)電荷量的大小不該有足夠小這個(gè)要求，這是個(gè)誤解。原因就是因?yàn)閳鲈措姾煽赡苁求w積較大的帶電體，若檢驗(yàn)電荷量不是足夠小，引入檢驗(yàn)電荷后，因?yàn)殪o電感應(yīng)（對(duì)金屬帶電體而言）或電極化（對(duì)介質(zhì)帶電體而言），源電荷就會(huì)重新分布，檢驗(yàn)電荷所處位置的場強(qiáng)必定會(huì)改變。

由此可見，點(diǎn)電荷與檢驗(yàn)電荷有異有同。相同的是它們幾何尺寸必須足夠小，小到在我們研究的問題中帶電體的形狀大小可以被忽略，不同的是點(diǎn)電荷并不要求電量一定要充夠小，而檢驗(yàn)電荷的電量一定要足夠小。