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從庫(kù)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(lài)以建立的基礎(chǔ)。通過(guò)庫(kù)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(kù)侖定律 物理定律 教學(xué)
摘 要：物理定律是物理理論賴(lài)以建立的基礎(chǔ)。通過(guò)庫(kù)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(kù)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(lài)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(shuō)當(dāng)然得占有重要的地位。
當(dāng)然，在教學(xué)中，不可能也沒(méi)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(lái)，是有益的，這也應(yīng)該成為物理教學(xué)改革的一個(gè)重要方面。
下面以熟知的庫(kù)侖定律為例進(jìn)行討論。
1785年庫(kù)侖設(shè)計(jì)制作了一臺(tái)精巧的扭秤，它能測(cè)量10-8牛頓的弱力。通過(guò)扭秤實(shí)驗(yàn)，庫(kù)侖得出：“兩個(gè)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�(kù)侖測(cè)出電引力單擺的振動(dòng)周期與擺錘（點(diǎn)電荷）到電引力中心（另一異號(hào)點(diǎn)電荷）的距離成反比，從而證明兩異號(hào)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(lèi)比的威力。
庫(kù)侖定律包括三個(gè)內(nèi)容，即F∝r-2,F∝Q1Q2,F的方向沿兩點(diǎn)電荷的連線(xiàn)。除F∝r-2已被上述實(shí)驗(yàn)證實(shí)外，另兩者來(lái)自何處呢？由于庫(kù)侖力是電場(chǎng)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(wú)法用實(shí)驗(yàn)來(lái)證明電場(chǎng)力與電量乘積成正比的。同樣，在萬(wàn)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(lèi)，俯拾皆是。借此，比較電量之類(lèi)的異同，指出電場(chǎng)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(chǎng)力有吸引、排斥之區(qū)別，且可以屏蔽），電量無(wú)相對(duì)論效應(yīng)，電量具有量子性等等，以開(kāi)闊視野，使學(xué)生對(duì)電量這個(gè)物理量具有較為廣泛的了解，是適宜的。
至于電場(chǎng)力的方向沿兩點(diǎn)電荷的連線(xiàn)，雖則包括庫(kù)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(chǎng)力沿連線(xiàn)與點(diǎn)電荷Q在任一點(diǎn)P的場(chǎng)強(qiáng)沿徑向等價(jià)，將QP繞自身作任意旋轉(zhuǎn)，若P點(diǎn)的場(chǎng)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(kù)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(duì)方的作用，別無(wú)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(shí)，該兩點(diǎn)電荷之間的作用仍遵循庫(kù)侖定律，這正是力的獨(dú)立作用原理亦即場(chǎng)強(qiáng)疊加原理。所以真空條件并非必要，但為了使問(wèn)題單純，便于初學(xué)者理解，加上亦無(wú)不可。靜止條件是指兩點(diǎn)電荷相對(duì)靜止，且相對(duì)于觀察者靜止。靜止條件可推廣為靜止源電荷對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷的作用，但不能推廣為運(yùn)動(dòng)源電荷對(duì)靜止或運(yùn)動(dòng)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(dòng)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(dòng)量守恒，若兩物體構(gòu)成了封閉系統(tǒng)，則其一動(dòng)量的減少應(yīng)等于另一動(dòng)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(chǎng)為媒介傳遞的，在兩電荷運(yùn)動(dòng)的條件下，作為媒介物的電場(chǎng)是第三者，其動(dòng)量在變化，因而兩運(yùn)動(dòng)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(shí)，電場(chǎng)的動(dòng)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(kù)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(chǎng)的存在，提供了機(jī)會(huì)。另外，所謂靜止都是相對(duì)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(shuō)明電磁現(xiàn)象的統(tǒng)一性。
庫(kù)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(kù)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�，從小到原子、大到地球甚至太陽(yáng)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(kù)侖定律具有重要的電理論地位，它（與場(chǎng)強(qiáng)疊加原理）從原則上解決了帶電體相互作用的問(wèn)題，決定了靜電場(chǎng)的性質(zhì)，成為研究各種電現(xiàn)象和電過(guò)程的基礎(chǔ)，它還是麥克斯韋電磁場(chǎng)理論賴(lài)以建立的根據(jù)之一。
本文從庫(kù)侖定律所做的討論只是希望為此提供一些啟發(fā)。由于對(duì)象與問(wèn)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(dòng)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(yíng)養(yǎng)，就有可能提高教學(xué)的思想性。
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