庫侖定律的教學價值*①

于 軍 朱偉玲 吳登平

(廣東石油化工學院 廣東 茂名 525000)

1 引言

庫侖定律是電磁學發展史上人類提出的第一條定量規律.該定律的提出，標志著人類對電磁現象的研究從定性進入到了定量階段.庫侖定律是牛頓引力理論的發展，是高斯定理的有力支撐，為靜電學和靜磁學提供了理論武器，使人類對電磁學的研究少走了不少彎路，直接形成了嚴密的電磁規律.從教學方面看，庫侖定律是電磁學內容開篇后遇到的第一條規律.在教學內容的邏輯安排上，庫侖定律是為點電荷電場分布函數的引入服務的，而點電荷電場分布函數又是其他帶電物體電場分布函數的基元形式.由此可見，庫侖定律是電磁學規律建立過程的一座里程碑，也是電磁學教學中一個非常重要的橋頭堡.

在國內影響力較大，使用面較廣的幾套大學教材基本都是將電荷、電荷守恒、電荷量子化與庫侖定律作為電磁學開篇內容，隨后引出“靜電場”概念，進而利用庫侖定律定量推出點電荷電場分布函數，再利用疊加原理給出其他帶電物體電場分布函數的一般求解方法.實際教學中，該知識點大多被做如下處理：在給出庫侖定律的文字形式與數學形式后，對力的方向、大小及定律的成立條件做幾點說明，隨后迅速轉入到“靜電場”的教學中.在庫侖定律的講解過程中，部分教師會提及庫侖扭秤，但很少展開.這種處理方式大多源于主講教師的以下認識： “電磁場”是電磁學中最重要的概念之一，必須深入理解；而關于幾種典型靜電場場強分布函數的計算則是必須熟練掌握的考點.基于為“靜電場”這個中心概念服務的需要，庫侖定律僅僅是為他人之需而充當服務生的角色，無需細講.如果我們從以下兩個方面來考慮，可能就不會如此輕率地處理這部分內容了.

2 庫侖定律的產生是多種科學方法合理使用的結果①

創新人才的培養、綜合素質的提高是現代教育的主要任務之一.科學發展史表明，任何新的科學發現都是一系列科學方法被合理采用的必然結果.所以，創新型人才的培養離不開科學方法教育.從定律形成的微觀細節看,首先是牛頓于1687年提出了萬有引力理論，為庫侖定律的形成樹立了一個可供臨摹的范本.1759年，愛皮努斯對電力所作的“電荷之間的斥力和吸力隨帶電物體的距離的減少而增大”的假設，是觀察了諸多靜電現象之后所作的科學歸納.1760年，D·伯努利首先猜測“電力服從平方反比定律”；基于電力與萬有引力的類比，進而將牛頓的引力理論想當然地拓展到了電磁領域.1767年，英國人普利斯特利在他的《電學歷史和現狀及其原始實驗》一書中寫道的重要結論：電的吸引與萬有引力服從同一定律，即距離的平方.這是基于之前的兩個事實所給出的科學推理與判斷.一個是富蘭克林的空罐實驗(也叫冰桶實驗).富蘭克林發現，懸吊于帶電金屬罐內的軟木球不受金屬罐上電荷的作用.另一個事實是牛頓早在1687年就從理論上證明過的，如果萬有引力服從平方反比定律，則均勻的物質球殼對殼內物體應無作用.普利斯特利將這兩個事件聯系起來，大膽給出了科學推斷.他的工作標志著庫侖定律的發現上了一個層次,從原始的基于某些自然現象的猜測發展到有一定實驗支持的科學推斷，期間科學方法起到了關鍵作用.

普利斯特利的工作將庫侖定律引入到科學驗證階段，該階段是比較與分類、分析與綜合、歸納與演繹、理想化、類比、等效轉換、理論指導實驗等諸多科學方法的集中體現.1769年，蘇格蘭人羅比遜的杠桿裝置將“力的作用”轉化為“力矩的作用”，從而第一次從實驗的角度直接驗證了庫侖定律.1773年，英國人卡文迪什的同心球實驗被認為是物理實驗的典范.他用的是當年最原始的電測儀器，卻獲得了超乎時代的精確結果.他成功的關鍵在于掌握了牛頓萬有引力定律這一理論武器，通過數學處理，將直接測量變為間接測量，并且用了示零法精確地判斷結果，從而得到了電力的平方反比定律.1785年,庫侖的扭秤實驗是一個劃時代的偉大實驗，他利用力矩平衡的思路，通過對懸絲的扭轉力矩的測量，實現了對靜電斥力的測量；而用于測量異號電荷間靜電引力的庫侖振蕩扭秤的設計思想,則源于力學中物體的擺動周期與引力強弱間的定量關系.

從庫侖定律形成的宏觀過程看，先是觀察現象，提出問題，猜測答案；再是設計實驗測試，歸納尋找關系，形成定律(理)；最后考察成立條件、適用范圍,提出嚴格的表達形式,探尋其理論地位.可見，庫侖定律的建立經歷了一個科學的探究過程，過程的科學性保證了結論的可靠性.縱觀庫侖定律的發現過程，期間一直貫穿著“科學方法引導科學發現”這一主線，而庫侖定律的數學形式

3 在教學內容安排上庫侖定律具有承前啟后的作用

從教學內容安排上看，《電磁學》一般是在學生學習完《力學》之后，《近代物理》之前開設，所以，電磁學中的內容往往具有承前啟后的作用.從方法論講，人類用科學的方法得到了電磁理論，我們在實際教學中也應采用科學合理的方法處理相應內容，才能展示出內容上的承前啟后，體現出教學效果與形式的完美統一.以“庫侖定律”一節為例，采用與質點力學引力理論相對比的“對比法”是合適的、恰當的.“庫侖定律”是在介紹了“點電荷”模型之后引入的，“點電荷”與“質點”本是一對相類似的理想模型.作用于兩個不相接觸質點之間的是萬有引力，而作用于兩個不相接觸點電荷之間的則是庫侖力,二者的數學形式具有高度的相似性.萬有引力是保守力，萬有引力場是保守場，該場中可以引入勢(能)函數；相似的是，庫侖力也是保守力，靜電場也是保守場，該場中也可以引入勢(能)函數.靜電場中可以用電場強度來描述電場對點電荷的作用力，同樣在引力場中也是可以引入“引力場強度”來描述引力場對質點的作用力……如此“對比”講解，學生在順利學到電學知識的同時，還對力學知識點進行了鞏固與拓展，可謂一舉多得.

通過對庫侖定律成立條件“點電荷”的講解，使學生了解到合理的“抽象”是一種科學方法.通過對庫侖定律成立條件“真空”的分析，為后續“電介質”內容做好鋪墊；通過對庫侖定律成立條件“靜止”的強調，一方面為后續內容“運動電荷產生磁場”、“磁場對運動電荷有磁場力的作用”做鋪墊,另一方面也為《電動力學》中的相應內容預留了接口.通過對庫侖定律中的平方反比定律精確度的介紹，可使學生進一步了解到庫侖定律的重要即它直接關系著磁單極的存在與否;直接關系光子的靜止質量;更直接關系經典電磁理論與狹義相對論這兩大理論的正確性，進而對現有物理學理論體系產生著重大而深遠的影響……相信，以上的處理有利于學生將所學各方面知識融會貫通，也有利于學生對“理論體系”有一個感性認識.雄偉、壯麗的大廈由許多立柱、橫梁承載，其中任何一個不起眼的柱體、橫梁都可能對整幢大廈的安全性產生決定性的影響.

4 結語

通過以上分析可以看出，庫侖定律是人類對大量實驗事實進行科學、理性的思維后產生的直接結果.庫侖定律是集諸多科學方法于一體的產物，在教學中具有無與倫比的科學方法教育的價值.實際教學中如果無視其自身豐富的科學方法教育價值，僅僅將其處理成一個為他人之需的服務生角色，則無異于“買櫝還珠”.庫侖定律在內容安排上具有承前啟后的作用，處理得好可以使學生在順利接受新知識的同時又對舊知識進行了鞏固與拓展，還為今后的知識點作了必要的鋪墊，預留下一些知識對接的接口.教學內容的處理很大程度取決于教師的教學理念與課時數，對于一個有著現代教育理念的物理教師而言是不應該輕易糟蹋掉這樣一個科學方法教育的典型素材的.

參考文獻

1 郭奕玲,沈慧君. 物理學史. 北京：清華大學出版社.1993.118～123