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高師物理規(guī)律教學(xué)初探
——以庫侖定律為例

2010-04-07 16:16:00吳燕丹
關(guān)鍵詞:庫侖定律點(diǎn)電荷庫侖

吳燕丹

(韓山師范學(xué)院 物理與電子工程系,廣東 潮州 521041)

高師物理規(guī)律教學(xué)初探
——以庫侖定律為例

吳燕丹

(韓山師范學(xué)院 物理與電子工程系,廣東 潮州 521041)

高師物理規(guī)律教學(xué)須適應(yīng)高中物理新課標(biāo)的要求,要更加注重物理規(guī)律的內(nèi)涵和本質(zhì)的理解,重視科學(xué)研究方法的學(xué)習(xí),以庫侖定律為例,闡述了物理規(guī)律教學(xué)的體會(huì)。

物理規(guī)律;庫侖定律;科學(xué)研究方法

在傳統(tǒng)的物理教學(xué)中,十分強(qiáng)調(diào)物理概念、物理規(guī)律的結(jié)論及其利用規(guī)律進(jìn)行推演解題,對物理概念的內(nèi)涵、規(guī)律形成的過程的教學(xué)都不夠重視,致使大部分學(xué)生對物理規(guī)律的理解流于表面,只了解物理規(guī)律的內(nèi)容和數(shù)學(xué)表達(dá)式,利用公式解題,忽視了物理規(guī)律的內(nèi)涵、本質(zhì)的學(xué)習(xí)和理解。高中物理新課程標(biāo)準(zhǔn)明確指出,高中物理教學(xué)旨在進(jìn)一步提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng),在繼續(xù)學(xué)習(xí)基本物理知識(shí)和技能的同時(shí),體驗(yàn)科學(xué)探究過程,了解科學(xué)研究方法,體會(huì)人類探索自然規(guī)律的科學(xué)態(tài)度和科學(xué)精神。對于高等師范教育,其任務(wù)是培養(yǎng)基礎(chǔ)教育的師資力量,在新課程背景下,高師物理教育也必須做出相應(yīng)的改革,單物理規(guī)律學(xué)習(xí)這一方面,就提出了更高的高求,必須對物理規(guī)律的內(nèi)涵,規(guī)律建立過程中所運(yùn)用的科學(xué)研究方法等有更深刻的理解和探索。

物理規(guī)律包括物理定律、原理和定理。而一個(gè)物理定律的建立本身就是物理學(xué)取得很大進(jìn)展的標(biāo)志,物理定律具有豐富、深刻的內(nèi)涵和外延,體現(xiàn)了深刻的物理思想,物理規(guī)律建立的過程一般包括(1)觀察現(xiàn)象;(2)提出命題;(3)猜測答案;(4)理論預(yù)言(5)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)測量;(5)修改理論、發(fā)現(xiàn)規(guī)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(xiàn)代含義[1]。由此可見,物理的學(xué)習(xí)過程,對物理規(guī)律的理解,并不單單知道規(guī)律的結(jié)論,如何用規(guī)律解題,更重要的是了解規(guī)律的內(nèi)涵和本質(zhì),并逐漸形成分析問題、解決問題的思想方法和獨(dú)立創(chuàng)新的“潛在意識(shí)”。庫侖定律是電磁學(xué)的基礎(chǔ),下面將從該定律出發(fā),淺談高師物理規(guī)律教學(xué)的體會(huì),旨在引導(dǎo)師范生更深入的學(xué)習(xí)物理知識(shí)和規(guī)律,為從事基礎(chǔ)教育做好充分準(zhǔn)備。

1 掌握物理思想方法——類比推理

最初富蘭克林(B. Franklin,1706—1790) 觀察到放在金屬杯中的軟木小球完全不受金屬杯上電荷的影響,后來普里斯特列(J. Priestley,1733—1804)重復(fù)了這個(gè)實(shí)驗(yàn)并立刻想到這一現(xiàn)象與萬有引力情形非常相似。牛頓在《自然哲學(xué)和數(shù)學(xué)原理》中,利用萬有引力與距離平方成反比的規(guī)律,證明了在均勻物質(zhì)球殼內(nèi)的物質(zhì)不會(huì)受到來自殼體本身物質(zhì)的作用力。因此,他猜測電力與萬有引力有相同的規(guī)律,兩個(gè)電荷間作用力應(yīng)與它們之間距離的平方成反比,即F∝r-2。這是一項(xiàng)很重要的類比推理[2],是歷史上對電力與距離平方成反比的最早認(rèn)識(shí)。

在教學(xué)中我們往往把物理規(guī)律視為邏輯推理的必然,忽視了其中的主觀創(chuàng)造成分,忽視了物理思想方法的重大作用。在從牛頓萬有引力定律到庫侖定律的類比推理過程中,充分體現(xiàn)了類比推理的物理思想對科學(xué)發(fā)展的推動(dòng)作用。當(dāng)然,科學(xué)規(guī)律發(fā)現(xiàn)的模式也是多種多樣的,對大量事實(shí)材料進(jìn)行整理,歸納出經(jīng)驗(yàn)定律的研究方法并不一定是萬能的良方,把已有理論的某些思想應(yīng)用到新的研究領(lǐng)域也是重要的研究方式,全面掌握科學(xué)發(fā)現(xiàn)的物理思想方法,可使學(xué)習(xí)者、研究者思路開闊,思維活躍,少走彎路。

2 從實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證,了解規(guī)律的確立過程和科學(xué)研究方法

現(xiàn)今公認(rèn)的庫侖定律是由庫侖定律是由法國物理學(xué)家?guī)靵?A. Coulomb, 1736—1806)在1785年發(fā)現(xiàn)的,在一般教科書中,一般只介紹庫侖的扭秤實(shí)驗(yàn)對庫侖定律的驗(yàn)證,其實(shí)在這之前有兩位學(xué)者——羅比遜(J. Robinson,

1739—1805)和卡文迪許(H. Cavendish,1731—1810)作了定量的實(shí)驗(yàn)研究,并得到相同的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,之后麥克斯韋(J. C.Maxwell,1831—1879)等人在提高實(shí)驗(yàn)精度方面做出了不懈的努力。

1769年,羅比遜設(shè)計(jì)了一個(gè)杠桿裝置,利用活動(dòng)桿所受重力與電力的平衡,從支架的平衡角度求得電力與距離的關(guān)系。不過,他的裝置只適合同種電荷進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。如果用公式F 1∝/ r2+δ表示,根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果推算得出δ=0.06 ,這個(gè)δ稱為指數(shù)偏差。羅比遜認(rèn)為,指數(shù)偏大的原因應(yīng)歸于實(shí)驗(yàn)誤差,由此得出平方反比定律的結(jié)論。

1772年,卡文迪許利用空腔帶電導(dǎo)體實(shí)驗(yàn),證明了除了帶電球腔內(nèi)點(diǎn)電荷不受電力以外,在腔內(nèi)與之相連的球?qū)w也不殘留電荷。這一實(shí)驗(yàn)的成功使驗(yàn)證電力平方反比的方法,由測力法改變?yōu)闇y殘留電荷,采用間接測量的方法使實(shí)驗(yàn)的精確度得到提高??ㄎ牡显S重復(fù)了多次實(shí)驗(yàn),確定電力服從平方反比定律,指數(shù)偏差不超過0.02,確認(rèn)靜電力是嚴(yán)格遵從平方反比定律的。但他的研究成果沒有發(fā)表,直到100年后,麥克斯韋整理他的手稿的時(shí)候,才將這個(gè)結(jié)果公布。

1785年,庫侖設(shè)計(jì)制作了一臺(tái)精巧的扭秤,能測量小到10-8N的微弱作用力,用它來測量同號(hào)電荷之間的電斥力。對于異號(hào)電荷之間的電引力,扭秤實(shí)驗(yàn)的平衡不穩(wěn)定,測量很不準(zhǔn)確,于是庫侖又設(shè)計(jì)了電單擺,與在萬有引力作用下的單擺類似,單擺擺動(dòng)周期應(yīng)與擺錘到引力中心的距離成正比,這是與距離平方成反比的萬有引力作用的結(jié)果,電單擺用電引力代替萬有引力, <4×10-2,得到了距離平方反比定律。

庫侖的工作得到普遍的承認(rèn),后人將電力定律命名為庫侖定律。但是,由于扭秤和電單擺實(shí)驗(yàn)都是直接測量的實(shí)驗(yàn),即使在現(xiàn)代條件下,其精度都很難有大幅的提高。麥克斯韋認(rèn)識(shí)到卡文迪許的實(shí)驗(yàn)提供了電力平方反比定律的有效方法,此時(shí),雖然庫侖定律已經(jīng)建立,麥克斯韋仍采用卡文迪許的間接測量的方法,不僅嚴(yán)格導(dǎo)出了檢驗(yàn)電力平方反比律的理論公式,其實(shí)驗(yàn)的精度比原來提高了三個(gè)數(shù)量級,

<5×10-5。200多年來,隨著實(shí)驗(yàn)儀器的精密化和實(shí)驗(yàn)技術(shù)的不斷改進(jìn),經(jīng)多人的努力,庫侖定律的精度提高了十幾個(gè)數(shù)量級,至1971年,威廉等人的實(shí)驗(yàn)使 達(dá)到(2.7±3.1)×10-16量級。

在庫侖定律確立的歷史過程中可以看出,科學(xué)定律和理論的建立不是一蹴而就的,不是一下子就以目前教材中的完善形式提出來的,而是許多科學(xué)家經(jīng)過長期艱苦的探索、猜測、分析、綜合、聯(lián)想、類比、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,經(jīng)過不懈的努力逐步完善的,體現(xiàn)了人類探索自然規(guī)律的科學(xué)態(tài)度和科學(xué)精神。

3 明確庫侖定律的成立條件,學(xué)習(xí)分析問題的方法,了解規(guī)律的近似性和局限性

在一般教科書中的描述中,庫侖定律的成立的條件有三條:點(diǎn)電荷、真空、靜止,但這三個(gè)條件并不都是必要條件。

(1)點(diǎn)電荷是一個(gè)理想模型,是成立的條件但不是限制條件。只有點(diǎn)電荷兩者之間距離才有確切的含義,但使用疊加原理可以把庫侖定律推廣至點(diǎn)電荷組或連續(xù)帶電體,此時(shí)必須將它們分解成點(diǎn)電荷來考慮。對于兩靜止帶電體之間的靜電力,除了與電荷的數(shù)量及相對位置有關(guān)外,還依賴于帶電體的大小、形狀及電荷的分布情況,當(dāng)兩帶電體的線度比他們之間的距離小得多時(shí),問題將大為簡化,即可把該帶電體看作是點(diǎn)電荷,但是究竟帶電體的線度比間距要小多少才能被看作點(diǎn)電荷卻沒有一個(gè)絕對的標(biāo)準(zhǔn),它取決于討論問題時(shí)所要求的精確度。

(2)真空條件既不是成立條件也不是限制條件。目的是為了忽略掉其他電荷的影響,使兩個(gè)點(diǎn)電荷只受到對方作用。但如果空間存在導(dǎo)體或電介質(zhì),它們也會(huì)對兩電荷產(chǎn)生作用,此時(shí),還必須考慮所有的電荷——真空中電荷、導(dǎo)體的感應(yīng)電荷、電介質(zhì)的極化電荷之間相互作用的疊加,于是兩個(gè)點(diǎn)電荷所受的總作用力將比較復(fù)雜,但并不意味著有導(dǎo)體或電介質(zhì)存在時(shí),庫侖定律就不成立了。

(3)靜止條件是一個(gè)根本的限制條件,靜止指相對于慣性系靜止,兩個(gè)點(diǎn)電荷相對靜止,相對觀察者靜止。靜止條件可以推廣到靜止源電荷對運(yùn)動(dòng)電荷的作用,但不能推廣到運(yùn)動(dòng)源電荷對靜止或運(yùn)動(dòng)電荷的作用,靜止電荷產(chǎn)生的電場空間分布是不隨時(shí)間變化的,運(yùn)動(dòng)電荷所受由靜止電荷產(chǎn)生的電場力只與兩電荷的相對位置和它們的電量有關(guān),與受力電荷的運(yùn)動(dòng)無關(guān),即遵從庫侖定律。但反過來,靜止電荷受到的由運(yùn)動(dòng)電荷產(chǎn)生的電場力就不同了,根據(jù)狹義相對論,這個(gè)力不但與兩個(gè)電荷的電量、相對位置有關(guān),而且還與運(yùn)動(dòng)電荷的速度,加速度有關(guān),它不遵守庫侖定律[3]。

成立條件是定律成立的重要依據(jù),對一定的定律,要抓住它成立的條件,存在的背景,脫離了定律、公式存在的條件和背景,空談各物理量之間的關(guān)系,那是毫無意義的。

4 了解庫侖定律的適用范圍,培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度

庫侖定律的適用范圍是指電力平方反比律適用的r的尺度。歷史上的多個(gè)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)表明庫侖定律在實(shí)驗(yàn)室尺度適用,那它是否在任何尺度范圍內(nèi)都適用呢?這是很容易忽視的問題,在此必須強(qiáng)調(diào),庫侖定律在什么尺度范圍內(nèi)適用,也必須經(jīng)過實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證才能確定。1921年盧瑟福(E. Rutherfold,1871—1937) 散射實(shí)驗(yàn)證明了在原子核尺度10-15m,電力平方反比律適用。迄今的高能電子——正電子散射實(shí)驗(yàn)已探測到10-18m的相互作用情況,證明電力平方反比律仍適用[4]。另外,地球物理實(shí)驗(yàn)表明,在大到107m,電力平方反比律同樣適用。對于<10-18m和>107m的尺度范圍,電力平方反比律是否適用,還待實(shí)驗(yàn)的進(jìn)一步證明。對庫侖定律適用范圍的強(qiáng)調(diào),有利于增強(qiáng)學(xué)生獨(dú)立收集資料的積極性,更有利于培養(yǎng)學(xué)生實(shí)事求是、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度。

5 對比萬用引力和庫侖定律,討論自然規(guī)律的多樣性和統(tǒng)一性

庫侖定律既是一個(gè)實(shí)驗(yàn)定律,也可以說是牛頓的引力定律在電學(xué)中的一個(gè)推論,不論從哪一方面來說,它都與牛頓力學(xué)有關(guān)[5]。與其說是庫侖發(fā)現(xiàn)了庫侖定律,還不如說是庫侖用扭秤驗(yàn)證了萬有引力定律在電學(xué)中的類比推理。所以它們之間具有一系列相似性,也存在一定的差異性。

相似性:

(1)萬有引力定律和庫侖定律都符合電力平方反比律。

(2)萬有引力和庫侖力都是場力。電荷間相互作用是通過它們各自的電場來傳遞的;二物體間相互作用的萬用引力是通過它們各自產(chǎn)生的引力場進(jìn)行的。

(3)萬有引力和庫侖力都是有心力,都是保守力,它們對質(zhì)點(diǎn)或電荷所做的功只與質(zhì)點(diǎn)或電荷的初末位置有關(guān),而與由起點(diǎn)到終點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)路徑無關(guān)。在萬用引力作用下的質(zhì)點(diǎn)動(dòng)能和引力勢能總和守恒;在庫侖力作用下的電荷動(dòng)能和電勢能總和守恒。

差異性:

(1)力的本質(zhì)不同,靜電相互作用強(qiáng)弱跟點(diǎn)電荷電荷量有關(guān),引力作用的強(qiáng)弱與質(zhì)點(diǎn)的質(zhì)量有關(guān)。

(2)由于質(zhì)量只有一種,沒有正負(fù)之分,其間總是彼此吸引,因而只有萬有引力,沒有“萬有斥力”;電荷則有正負(fù)兩種,同種相斥,異種相吸,庫侖力有引力和斥力之分。

(3)在微觀粒子間,兩種力差別懸殊,通過計(jì)算得出,電子和質(zhì)子間的庫侖力是它們間的萬有引力的2.3×1039倍。因此在研究微觀粒子間的相互作用時(shí),萬有引力一般可忽略不計(jì)。

庫侖定律是靜電學(xué)的基礎(chǔ),也是最精確的物理實(shí)驗(yàn)定律之一,由于課時(shí)的限制,教師不一定能對每一部分進(jìn)行詳細(xì)的講解,以上對該定律教學(xué)的討論,目的在于引導(dǎo)學(xué)生更加注重對物理規(guī)律的內(nèi)涵和本質(zhì)的理解,對科學(xué)研究方法的把握和對物理思想的培養(yǎng),也起到拋磚引玉的作用,學(xué)生在學(xué)習(xí)其他物理規(guī)律時(shí)候,可以根據(jù)上述的學(xué)習(xí)目的收集資料并互相探討。

[1]陳秉乾,舒幼生.電磁學(xué)專題研究[M].北京:高等教育出版社,2001.

[2]蘭志高,萬小龍.類比推理在庫侖定律建立中的作用——兼論類比推理的局限性[M].物理實(shí)驗(yàn),2008(11):37-41.

[3]李艷萍.關(guān)于庫侖定理適用條件的研究[J].遼寧師專學(xué)報(bào),2000(1):35-37。

[4]徐在新,錢振華.庫侖定律的精確度[J].物理教學(xué),2010(4):4-6.

[5]宗德生,李國棟.電磁學(xué)發(fā)展史[M].南寧:廣西人民出版社,1986.

G642

A

1673-2219(2010)12-0036-03

2010-10-16

吳燕丹(1978-),女,廣東潮州人,韓山師范學(xué)院實(shí)驗(yàn)師,碩士,從事分子光譜的研究。

(責(zé)任編校:何俊華)

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