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從庫侖定律談物理定律的教學(xué)論文
摘 要：物理定律是物理理論賴以建立的基礎(chǔ)。通過庫侖定律的教學(xué)，要引導(dǎo)并幫助學(xué)生了解物理定律的討論、建立和發(fā)展，理解物理定律在揭示事物的本質(zhì)、規(guī)律和內(nèi)在規(guī)律中所發(fā)揮的重要作用，從而提高教學(xué)的思想性。
關(guān)鍵詞：庫侖定律 物理定律 教學(xué)
摘 要：物理定律是物理理論賴以建立的基礎(chǔ)。通過庫侖定律的教學(xué)，要引導(dǎo)并幫助學(xué)生了解物理定律的討論、建立和發(fā)展，理解物理定律在揭示事物的本質(zhì)、規(guī)律和內(nèi)在規(guī)律中所發(fā)揮的重要作用，從而提高教學(xué)的思想性。
關(guān)鍵詞：庫侖定律 物理定律 教學(xué)
物理定律是在觀察和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律。各種物理定律從各自不同的角度和側(cè)面揭示了事物的本質(zhì)、規(guī)律和內(nèi)在聯(lián)系。物理定律是物理理論賴以建立的基礎(chǔ)，也是檢驗(yàn)各種物理理論是非真理的標(biāo)準(zhǔn)。因此，物理定律的建立是有關(guān)研究領(lǐng)域獲得重要進(jìn)展的標(biāo)志。在物理教學(xué)中，物理定律的闡述理說當(dāng)然得占有重要的地位。
當(dāng)然，在教學(xué)中，不可能也沒有必要凡遇到物理定律都作系統(tǒng)全面的考察，但結(jié)合各定律的特點(diǎn)，有選擇地作一些引申和發(fā)揮，注意把具體內(nèi)容的講授與科學(xué)思維能力的培養(yǎng)結(jié)合起來，是有益的，這也應(yīng)該成為物理教學(xué)改革的一個重要方面。
下面以熟知的庫侖定律為例進(jìn)行討論。
1785年庫侖設(shè)計制作了一臺精巧的扭秤，它能測量10-8牛頓的弱力。通過扭秤實(shí)驗(yàn)，庫侖得出：“兩個帶同種電荷的小球之間的相互排斥力和它們之間距離的平方成反比�！睅靵鰷y出電引力單擺的振動周期與擺錘（點(diǎn)電荷）到電引力中心（另一異號點(diǎn)電荷）的距離成反比，從而證明兩異號點(diǎn)電荷之間的電引力也與距離的平方成反比，又一次顯示了類比的威力。
庫侖定律包括三個內(nèi)容，即F∝r-2,F∝Q1Q2,F的方向沿兩點(diǎn)電荷的連線。除F∝r-2已被上述實(shí)驗(yàn)證實(shí)外，另兩者來自何處呢？由于庫侖力是電場力，與物體帶電狀況有關(guān)，在其表達(dá)式中需要引入定量描述物體帶電狀況的物理量——電量。應(yīng)該指出，F(xiàn)∝Q1Q2正是電量的定義，而并非實(shí)驗(yàn)結(jié)果，因?yàn)樵谏形炊x電量之前，是無法用實(shí)驗(yàn)來證明電場力與電量乘積成正比的。同樣，在萬有引力定律的表達(dá)式中也包含了引力質(zhì)量的定義，諸如此類，俯拾皆是。借此，比較電量之類的異同，指出電場力與引力都與距離的平方成反比，電量和質(zhì)量都遵循各自的守恒律，但電量有正負(fù)（這使得電場力有吸引、排斥之區(qū)別，且可以屏蔽），電量無相對論效應(yīng)，電量具有量子性等等，以開闊視野，使學(xué)生對電量這個物理量具有較為廣泛的了解，是適宜的。
至于電場力的方向沿兩點(diǎn)電荷的連線，雖則包括庫侖定律在內(nèi)的一些現(xiàn)象表明大抵如此，但并非嚴(yán)格證明。實(shí)際上這是空間各向同性的結(jié)果。由于電場力沿連線與點(diǎn)電荷Q在任一點(diǎn)P的場強(qiáng)沿徑向等價，將QP繞自身作任意旋轉(zhuǎn)，若P點(diǎn)的場強(qiáng)不沿徑向，則其方向?qū)⒁蛐D(zhuǎn)改變，與空間各項(xiàng)同性矛盾。這一事例可以幫助學(xué)生理解物理學(xué)的規(guī)律是分層次、有聯(lián)系的，具體規(guī)律要受最高層次普遍規(guī)律的制約。 庫侖定律的成立條件是真空和靜止。真空條件是為了排除其他電荷的影響，使兩點(diǎn)電荷只受到對方的作用，別無其他。當(dāng)真空條件被破壞，即除了兩點(diǎn)電荷外，還存在其他因感應(yīng)或極化產(chǎn)生的電荷時，該兩點(diǎn)電荷之間的作用仍遵循庫侖定律，這正是力的獨(dú)立作用原理亦即場強(qiáng)疊加原理。所以真空條件并非必要，但為了使問題單純，便于初學(xué)者理解，加上亦無不可。靜止條件是指兩點(diǎn)電荷相對靜止，且相對于觀察者靜止。靜止條件可推廣為靜止源電荷對運(yùn)動電荷的作用，但不能推廣為運(yùn)動源電荷對靜止或運(yùn)動電荷的作用（因?yàn)橛型七t效應(yīng)）。換言之，兩靜止電荷的相互作用遵循牛頓第三定律，而運(yùn)動電荷的相互作用則違背牛頓第三定律。如何理解這一結(jié)果呢？眾所周知，牛頓第三定律的實(shí)質(zhì)是動量守恒，若兩物體構(gòu)成了封閉系統(tǒng)，則其一動量的減少應(yīng)等于另一動量的增加，反之亦然，于是其間的相互作用力必定相等反向，接觸物體之間的摩擦力、張力、支持力與壓力等就是如此。由于兩電荷之間的電力是以電場為媒介傳遞的，在兩電荷運(yùn)動的條件下，作為媒介物的電場是第三者，其動量在變化，因而兩運(yùn)動電荷的相互作用必定不遵循牛頓第三定律；在兩電荷都靜止時，電場的動量恒定不變，其間的相互作用才遵循牛頓第三定律。所以關(guān)于庫侖定律靜止條件的討論，為正確理解牛頓第三定律，為證實(shí)電場的存在，提供了機(jī)會。另外，所謂靜止都是相對某一慣性系而言的，于是，不難設(shè)想，在該慣性系中單純的靜電作用，在另一慣性系中則成了復(fù)雜的電磁作用。這似乎很離奇，其實(shí)恰恰足以說明電磁現(xiàn)象的統(tǒng)一性。
庫侖定律的適用范圍是指電力平方反比率適用的空間尺度。庫侖以及卡文迪許——麥克斯韋等的實(shí)驗(yàn)確保了它在距離r為幾厘米到幾十厘米的尺度范圍內(nèi)適用；盧瑟福的α離子散射實(shí)驗(yàn)表明，在小到10-13厘米的尺度仍適用；地球物理的實(shí)驗(yàn)表明，在大到109厘米的尺度仍適用。但有跡象表明，在10-14厘米的尺度范圍，電力似乎比預(yù)期的要弱�？傊瑥男〉皆�、大到地球甚至太陽的空間尺度，電力平方反比率可以放心使用，在原子核的空間尺度則需謹(jǐn)慎。
庫侖定律具有重要的電理論地位，它（與場強(qiáng)疊加原理）從原則上解決了帶電體相互作用的問題，決定了靜電場的性質(zhì)，成為研究各種電現(xiàn)象和電過程的基礎(chǔ)，它還是麥克斯韋電磁場理論賴以建立的根據(jù)之一。
本文從庫侖定律所做的討論只是希望為此提供一些啟發(fā)。由于對象與問題的不同，各種物理定律的建立、發(fā)展以及相關(guān)的討論可謂千姿百態(tài)、各具特色，絕非某種模式可以概全。然而，科學(xué)的思維方法總是歷史地體現(xiàn)在前輩物理學(xué)家推動物理學(xué)發(fā)展的創(chuàng)造性工作之中，只要善于從中汲取營養(yǎng)，就有可能提高教學(xué)的思想性。
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