高中物理庫侖定律教學之我見

傳統的物理教學十分強調物理概念、物理規律的結論及利用物理規律進行推演解題，但對物理概念的內涵、規律形成的過程不夠重視，致使大部分學生對物理規律的理解流于表面，只了解物理規律的內容和數學表達式，只會利用公式解題，忽視物理規律的內涵、本質的學習和理解。高中物理新課程標準明確指出，高中物理教學旨在進一步提高學生的科學素養，在繼續學習基本物理知識和技能的同時，體驗科學探究過程，了解科學研究方法，學習人類探索自然規律的科學態度和科學精神。在新課程背景下，物理教學必須做出相應的改革，比如物理規律學習這一方面，就必須對物理規律的內涵、外延，規律建立過程中所運用的科學研究方法等進行更深入的探討。物理規律包括物理定律、物理原理和物理定理。其中物理定律的建立本身就是物理學取得很大進展的標志，其具有豐富、深刻的內涵和外延，蘊含著深刻的物理思想。物理規律建立的過程一般包括：①觀察現象；②提出命題；③猜測結果；④理論預言；⑤設計實驗測量，修改理論、發現規律；⑥形成定理、定律；⑦考察成立條件、適用范圍、精度、理論地位及現代含義。由此可見，對物理規律的理解，不僅僅要知道規律的結論及如何用規律解題，更重要的是要了解規律的內涵和本質，并逐漸掌握分析問題、解決問題的思想方法，樹立獨立創新的“潛在意識”。庫侖定律是電磁學的基礎，下面將從該定律出發，就其成立條件進行簡單討論。

庫侖定律不僅是靜電學的基礎，而且是整個電磁理論的基礎。由庫侖定律可以推出靜電場方程乃至整個麥克斯韋方程組，而且庫侖定律標志著：人們對電磁現象的研究由定性的觀察過渡到用儀器作定量的測量，并總結出定量的規律，從而開了用近代的科學方法研究電磁現象的先河。庫侖定律在近代物理理論中也具有重要的意義，它隱含著光子的靜電質量為零的結論。正因為庫侖定律如此重要，所以我們有必要對庫侖定律的成立條件作深入的研究和探討。

每一個物理定律的提出，都有其成立條件，那庫侖定律的成立條件是什么呢？

現行高中的教科書、教學參考書幾乎千篇一律：真空；點電荷。是這樣嗎？實際上庫侖當時在提出定律時，最主要的條件不是真空，也不是點電荷，而是靜止。下面我就這幾個條件一一進行分析：①真空，庫侖當時為什么把真空列為定律成立的條件之一，其目的實際上是使問題簡單，因為在真空環境中，除了相互作用的兩個點電荷外，如果沒有第三個物體的存在，這樣確定兩相互作用的點電荷間靜電力時，就可以不考慮其他作用的影響，但實際上，一個物體受多個力作用時，每一個力的作用效果都是獨立的，即第三個力的存在對任何兩個力的相互作用沒任何影響，所以真空這個條件實際上可有可無。②點電荷，在提出庫侖定律時，庫侖為什么把點電荷作為定律成立的條件之一？受牛頓萬有引力定律的啟發，每一個物理定律的發現過程實際上都不只是一人工作的結果，在庫侖提出庫侖定律之前，已經有很多科學家在關注和研究電荷間的相互作用，最有代表性的就是Franklins和Priestly。在研究帶電體間相互作用的過程中，Franklins做了一個很有意思的實驗，他將一個帶電的小球靠近一個帶電桶的外面，發現帶電小球將受到帶電桶的電作用，但放入到帶電桶的里面，在確保小球和球殼不接觸的前提下，帶電小球在球殼內任何一個位置都不受到什么作用。Franklins把這一現象告訴了Priestly，Priestly聽得這個結果后，結合牛頓萬有引力定律，敏銳地意識到，兩個帶電體間的引力也應該和距離的二次方成反比。庫侖受Priestly對電相互作用的猜想，對庫侖定律做了非常關鍵的一系列實驗，諸如電斥力扭秤實驗、電引力單擺實驗，最后用實驗證實，兩帶電體間的相互作用和兩個物體間的萬有引力一樣和距離平方成反比，并受牛頓萬有引力質點模型的啟發，提出了點電荷的條件。但該條件不是主要條件，因為兩個實際帶電體間靜電力的計算，盡管不能直接用庫侖定律，但可以把兩個帶電體無限分割成電流元，這樣只要計算出每兩個電流元間靜電力，最后進行矢量疊加，就能計算出它們間的作用力。③靜止，其實靜止才是庫侖定律成立的根本，電荷間相互作用的本質是通過中間物質場來完成的，即A電荷對B電荷的作用本質是A產生的電場對B的作用，反之亦然。而根據麥克斯韋電磁理論，電荷周圍有電場，并且靜止電荷只會產生穩定的電場，而運動電荷在周圍不僅能產生不穩定的電場，而且會產生磁場。穩定電場對處在其中的電荷只有穩定的靜電力，但如果兩相互作用的點電荷相對觀察者是運動的，這樣運動電荷在周圍不僅產生電場，而且產生磁場，這樣電荷間的作用就不再是簡單的電相互作用，還有較復雜的磁相互作用，并且在電荷運動的情況下產生的電場不穩定，處在其中的電荷受到的電場力也不穩定，這時候電荷間的相互作用就不能用庫侖定律計算了。是不是在研究兩個電荷間的相互作用時，一定要讓兩電荷相對觀察者都靜止了？不是，靜止這個條件可以放寬到相對觀察者靜止電荷對一個運動電荷的作用，但反過來不行。比如我們可以用庫侖定律來計算原子核對電子的作用，但反過來就不行。所以庫侖定律要成立，靜止應該是最重要的條件。

現行中學物理課本，只把真空、點電荷作為庫侖定律成立的條件，顯然有悖庫侖定律提出的初衷。盡管中學對電荷間作用的討論不深，但一些定律的核心條件在教學時還應該被提出來，這樣培養出的學生才會真正具備科學精神。