庫侖定律的產(chǎn)生及適用條件分析

照日格圖

(呼和浩特民族學(xué)院環(huán)境工程系,內(nèi)蒙古呼和浩特 010051)

庫侖定律的產(chǎn)生及適用條件分析

照日格圖

(呼和浩特民族學(xué)院環(huán)境工程系,內(nèi)蒙古呼和浩特 010051)

庫化定律可以說是物理學(xué)的基本定律之一,庫侖定律的產(chǎn)生奠定了電學(xué)理論的基礎(chǔ),庫侖定律闡明了帶電體相互作用的規(guī)律,決定了靜電場的性質(zhì),也為整個電磁學(xué)奠定了基礎(chǔ)。而在涉及到庫侖定律的專業(yè)書籍中,存在著對相關(guān)理念闡述不確切,庫侖定律適用情況分析不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)默F(xiàn)象,因此,本文對庫侖定律的產(chǎn)生進(jìn)行闡述,并對庫侖定律的適用情況進(jìn)行了詳細(xì)的分析。

庫化定律 產(chǎn)生 適用條件 分析研究

庫化定律的產(chǎn)生和應(yīng)用，使電磁學(xué)進(jìn)入了一個全新的時代，它對電子的相互作用進(jìn)行了探討，并將電子的物理特性進(jìn)行量化分析，使其可以通過數(shù)學(xué)的手段開展相關(guān)研究，為之后的電磁學(xué)研究帶來了便利，如果沒有庫侖定律，那么諸如麥克斯韋方程組、靜電場方程等這樣的電磁學(xué)相關(guān)定律都無法驗(yàn)證和使用，因此，庫侖定定律在物理理論中的地位是十分重要的，我們要對其產(chǎn)生情況進(jìn)行全面的了解，對其適用條件進(jìn)行深刻的探討和分析，在對庫侖理論進(jìn)行準(zhǔn)確的認(rèn)識和學(xué)習(xí)后，就能夠更好的完成電磁學(xué)的學(xué)習(xí)和研究工作。

1 庫侖定律的產(chǎn)生

之所以稱之為庫侖定律，源自在1978年的法國，作為軍事工程師的庫侖(CharlesAuguslin Coulomb，1736～1806)在進(jìn)行扭秤實(shí)驗(yàn)的過程中，發(fā)現(xiàn)兩個帶電的小球，在一定的距離范圍內(nèi)會相互的影響，發(fā)生偏轉(zhuǎn)等現(xiàn)象，這就說明有力矩的存在，再準(zhǔn)確的知道兩個小球之間的距離及轉(zhuǎn)動的角度便可以得出在該種情況下兩個小球之間的作用力，庫侖通過對實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了在真空環(huán)境下，兩電荷之間的相互作用力反比于兩電荷之間距離的平方。

其實(shí)，庫侖定律中所描述的物理現(xiàn)象并不是首例。在我國的東漢時期，就有了“頓牟拾芥，磁石引針”的說法，可見我國對電和磁的認(rèn)識與記錄并不晚于西方。然而這簡單的描述并不是系統(tǒng)的科學(xué)，物理定律都要經(jīng)過由現(xiàn)象到本質(zhì)的發(fā)展過程，找現(xiàn)象的存在規(guī)律并進(jìn)行記載可稱之為定律和科學(xué)，并且能否為人們所用是其重要的評價標(biāo)準(zhǔn)。除我國歷史的記載外，庫侖也不是做扭秤實(shí)驗(yàn)的首例，但由于科學(xué)的優(yōu)先性，誰最早發(fā)表就是誰的科研成果，使得這一定律被貫以庫侖的名字。

電力反平方律最先的提出者理應(yīng)是普利斯特里，但由于普利斯特里本人對這一猜測信心不大，同時也未引起電學(xué)領(lǐng)域內(nèi)的關(guān)注，導(dǎo)致該成果被忽視。在1755年的美國，電學(xué)家富蘭克林在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時并發(fā)現(xiàn)了這一現(xiàn)象，但在十年后，他才將這一發(fā)現(xiàn)以書信的方式告知好友普利斯特里，同時他將這一實(shí)驗(yàn)重做。隨后在1766年，普利斯特里重復(fù)了實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)放在金屬容器內(nèi)的電荷并不會受到容器本身所帶電荷的影響，緊接著他將這一規(guī)律與萬有引力相聯(lián)系，得出兩個電荷間的作用力反比于它們距離的平方項(xiàng)。

而庫侖卻對實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的這一現(xiàn)象進(jìn)行了系統(tǒng)的科學(xué)論述，并發(fā)表了一系列的論文。它對實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)誤差的產(chǎn)生原因、實(shí)驗(yàn)所用設(shè)備儀器，以及實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行詳細(xì)的描述。對所提出的理論給出了充分的實(shí)驗(yàn)證明，使其成為科學(xué)上重大的發(fā)現(xiàn)，因而被命名為庫侖定律。

扭秤實(shí)驗(yàn)是在真空中進(jìn)行的，因?yàn)樵搶?shí)驗(yàn)沒有對電荷的電量給出界定，故在庫侖的相關(guān)報(bào)告中僅描述了平方反比，而電力與電荷的電量成正比的說法是后期的科學(xué)家如高斯等人提出并完善的。即在真空中兩個靜止點(diǎn)電荷之間的相互作用力與距離平方成反比，與電量乘積成正比，作用力的方向在它們的連線上，同號電荷相斥，異號電荷相吸。數(shù)學(xué)表達(dá)式見圖1，圖1中r表示兩者之間的距離；r表示q1和q2方向的矢徑。

2 庫侖定律的適合條件

從學(xué)習(xí)的角度出發(fā)，庫侖定律是學(xué)生學(xué)習(xí)的第一個電磁學(xué)內(nèi)容，在學(xué)習(xí)的過程中，學(xué)生要充分掌握方式和方法，不要以為做到簡單的背誦就是學(xué)到了，而要從多個層、多角度、全方面的進(jìn)行綜合的學(xué)習(xí)，條件允許的話可以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，通過對實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)和準(zhǔn)備，以及實(shí)驗(yàn)的具體操作和觀察，可以加深對庫侖定律的理解，使記憶更加深刻，從而提高分析問題的能力，也鍛煉了動手能力，并在實(shí)驗(yàn)中學(xué)會嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度，這樣的進(jìn)步不僅僅是針對庫侖定律的學(xué)習(xí)時有所幫助，在學(xué)習(xí)其它知識時，同樣受用，并對未來的科學(xué)研究奠定了良好的基礎(chǔ)和習(xí)慣。

不管是哪種科學(xué)定律，都有一定的使用范圍，超出了這個范圍便會失去作用，庫侖定律也是一樣，它同樣是受到物理量在特定條件下的限制，不難看出它具備一定的適用條件。通常情況下可歸納為：(1)點(diǎn)電荷(2)點(diǎn)電荷所處環(huán)境為真空(3)兩點(diǎn)電荷是靜止的或相對靜止的，這三個條件并列存在。

條件一是庫侖定律成立的條件，這很好理解。因?yàn)橹挥悬c(diǎn)電荷，距離才有確切的意義，但它不是限制庫侖定律的使用條件。條件二是只適用于真空，比較好理解。因?yàn)橹車袑?dǎo)體或介質(zhì)時會產(chǎn)生其它電荷，情況就會變得比較復(fù)雜。條件三指兩點(diǎn)電荷相對靜止，且相對于觀察者靜止。它是靜電學(xué)的出發(fā)點(diǎn)，因?yàn)閹靵龆稍陔姶艌隼碚撝薪o出的是一種靜電場分布，但是，在應(yīng)用庫侖定律時可以放寬到靜止電荷對運(yùn)動電荷的作用，但不能推廣到運(yùn)動源電荷對靜止電荷的作用，因?yàn)橛型七t效應(yīng)。總的來看，這三個必要條件中，最重要的條件就是電荷必須是靜止的。當(dāng)電荷處在運(yùn)動的狀態(tài)下，那么庫侖定律也就失效了。

3 結(jié)語

庫侖定律是整個靜電學(xué)和電磁學(xué)的理論基礎(chǔ)，使得相關(guān)研究由定性觀察進(jìn)入實(shí)驗(yàn)測量的新階段，它推動了物理學(xué)的進(jìn)步，并為電磁感應(yīng)學(xué)等學(xué)科打下了基礎(chǔ)，從而改變了人們的日常生活，依據(jù)這些理論原理，產(chǎn)生了電動機(jī)、電工電子技術(shù)等等實(shí)用性非常強(qiáng)大的新技術(shù)，而且在過去幾個世紀(jì)的時間里，發(fā)揮了巨大的作用，使人類社會飛速的發(fā)展，因此說，如果沒有庫侖定律就沒有今天科技的騰飛以及人們?nèi)绱烁叩纳钏剑蜎]有現(xiàn)代文明，并不為過。因此我們要對庫侖定律進(jìn)行深入研究，不斷學(xué)習(xí)創(chuàng)新，從而結(jié)出更多的碩果，推動人類社會更好更快的發(fā)展。

[1]張拴柱.論庫侖定律的適用條件[J].長治學(xué)院學(xué)報(bào),2013(04)15.

[2]吳燕丹.從庫侖定律看高師物理規(guī)律的教學(xué)[J].內(nèi)江師范學(xué)院學(xué)報(bào),2010(08)15.