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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(lài)以建立的基礎。通過(guò)庫侖定律的教學(xué)，要引導并幫助學(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)、規律和內在規律中所發(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(lài)以建立的基礎。通過(guò)庫侖定律的教學(xué)，要引導并幫助學(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)、規律和內在規律中所發(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(guān)察和實(shí)驗基礎上發(fā)現的實(shí)驗規律。各種物理定律從各自不同的角度和側面揭示了事物的本質(zhì)、規律和內在聯(lián)系。物理定律是物理理論賴(lài)以建立的基礎，也是檢驗各種物理理論是非真理的標準。因此，物理定律的建立是有關(guān)研究領(lǐng)域獲得重要進(jìn)展的標志。在物理教學(xué)中，物理定律的闡述理說(shuō)當然得占有重要的地位。
當然，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全面的考察，但結合各定律的特點(diǎn)，有選擇地作一些引申和發(fā)揮，注意把具體內容的講授與科學(xué)思維能力的培養結合起來(lái)，是有益的，這也應該成為物理教學(xué)改革的一個(gè)重要方面。
下面以熟知的庫侖定律為例進(jìn)行討論。
1785年庫侖設計制作了一臺精巧的扭秤，它能測量10-8牛頓的弱力。通過(guò)扭秤實(shí)驗，庫侖得出：“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�！睅靵鰷y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(lèi)比的威力。
庫侖定律包括三個(gè)內容，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)驗證實(shí)外，另兩者來(lái)自何處呢？由于庫侖力是電場(chǎng)力，與物體帶電狀況有關(guān)，在其表達式中需要引入定量描述物體帶電狀況的物理量——電量。應該指出，F∝Q1Q2正是電量的定義，而并非實(shí)驗結果，因為在尚未定義電量之前，是無(wú)法用實(shí)驗來(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（這使得電場(chǎng)力有吸引、排斥之區別，且可以屏蔽），電量無(wú)相對論效應，電量具有量子性等等，以開(kāi)闊視野，使學(xué)生對電量這個(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)，雖則包括庫侖定律在內的一些現象表明大抵如此，但并非嚴格證明。實(shí)際上這是空間各向同性的結果。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)強沿徑向等價(jià)，將QP繞自身作任意旋轉，若P點(diǎn)的場(chǎng)強不沿徑向，則其方向將因旋轉改變，與空間各項同性矛盾。這一事例可以幫助學(xué)生理解物理學(xué)的規律是分層次、有聯(lián)系的，具體規律要受最高層次普遍規律的制約。 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(wú)其他。當真空條件被破壞，即除了兩點(diǎn)電荷外，還存在其他因感應或極化產(chǎn)生的電荷時(shí)，該兩點(diǎn)電荷之間的作用仍遵循庫侖定律，這正是力的獨立作用原理亦即場(chǎng)強疊加原理。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)電荷相對靜止，且相對于觀(guān)察者靜止。靜止條件可推廣為靜止源電荷對運動(dòng)電荷的作用，但不能推廣為運動(dòng)源電荷對靜止或運動(dòng)電荷的作用（因為有推遲效應）。換言之，兩靜止電荷的相互作用遵循牛頓第三定律，而運動(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，若兩物體構成了封閉系統，則其一動(dòng)量的減少應等于另一動(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，提供了機會(huì )。另外，所謂靜止都是相對某一慣性系而言的，于是，不難設想，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)明電磁現象的統一性。
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)驗確保了它在距離r為幾厘米到幾十厘米的尺度范圍內適用；盧瑟福的α離子散射實(shí)驗表明，在小到10-13厘米的尺度仍適用；地球物理的實(shí)驗表明，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慎。
庫侖定律具有重要的電理論地位，它（與場(chǎng)強疊加原理）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)，成為研究各種電現象和電過(guò)程的基礎，它還是麥克斯韋電磁場(chǎng)理論賴(lài)以建立的根據之一。
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(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，就有可能提高教學(xué)的思想性。
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