高中物理库仑定律教学之我见

传统的物理教学十分强调物理概念、物理规律的结论及利用物理规律进行推演解题，但对物理概念的内涵、规律形成的过程不够重视，致使大部分学生对物理规律的理解流于表面，只了解物理规律的内容和数学表达式，只会利用公式解题，忽视物理规律的内涵、本质的学习和理解。高中物理新课程标准明确指出，高中物理教学旨在进一步提高学生的科学素养，在继续学习基本物理知识和技能的同时，体验科学探究过程，了解科学研究方法，学习人类探索自然规律的科学态度和科学精神。在新课程背景下，物理教学必须做出相应的改革，比如物理规律学习这一方面，就必须对物理规律的内涵、外延，规律建立过程中所运用的科学研究方法等进行更深入的探讨。物理规律包括物理定律、物理原理和物理定理。其中物理定律的建立本身就是物理学取得很大进展的标志，其具有丰富、深刻的内涵和外延，蕴含着深刻的物理思想。物理规律建立的过程一般包括：①观察现象；②提出命题；③猜测结果；④理论预言；⑤设计实验测量，修改理论、发现规律；⑥形成定理、定律；⑦考察成立条件、适用范围、精度、理论地位及现代含义。由此可见，对物理规律的理解，不仅仅要知道规律的结论及如何用规律解题，更重要的是要了解规律的内涵和本质，并逐渐掌握分析问题、解决问题的思想方法，树立独立创新的“潜在意识”。库仑定律是电磁学的基础，下面将从该定律出发，就其成立条件进行简单讨论。

库仑定律不仅是静电学的基础，而且是整个电磁理论的基础。由库仑定律可以推出静电场方程乃至整个麦克斯韦方程组，而且库仑定律标志着：人们对电磁现象的研究由定性的观察过渡到用仪器作定量的测量，并总结出定量的规律，从而开了用近代的科学方法研究电磁现象的先河。库仑定律在近代物理理论中也具有重要的意义，它隐含着光子的静电质量为零的结论。正因为库仑定律如此重要，所以我们有必要对库仑定律的成立条件作深入的研究和探讨。

每一个物理定律的提出，都有其成立条件，那库仑定律的成立条件是什么呢？

现行高中的教科书、教学参考书几乎千篇一律：真空；点电荷。是这样吗？实际上库仑当时在提出定律时，最主要的条件不是真空，也不是点电荷，而是静止。下面我就这几个条件一一进行分析：①真空，库仑当时为什么把真空列为定律成立的条件之一，其目的实际上是使问题简单，因为在真空环境中，除了相互作用的两个点电荷外，如果没有第三个物体的存在，这样确定两相互作用的点电荷间静电力时，就可以不考虑其他作用的影响，但实际上，一个物体受多个力作用时，每一个力的作用效果都是独立的，即第三个力的存在对任何两个力的相互作用没任何影响，所以真空这个条件实际上可有可无。②点电荷，在提出库仑定律时，库仑为什么把点电荷作为定律成立的条件之一？受牛顿万有引力定律的启发，每一个物理定律的发现过程实际上都不只是一人工作的结果，在库仑提出库仑定律之前，已经有很多科学家在关注和研究电荷间的相互作用，最有代表性的就是Franklins和Priestly。在研究带电体间相互作用的过程中，Franklins做了一个很有意思的实验，他将一个带电的小球靠近一个带电桶的外面，发现带电小球将受到带电桶的电作用，但放入到带电桶的里面，在确保小球和球壳不接触的前提下，带电小球在球壳内任何一个位置都不受到什么作用。Franklins把这一现象告诉了Priestly，Priestly听得这个结果后，结合牛顿万有引力定律，敏锐地意识到，两个带电体间的引力也应该和距离的二次方成反比。库仑受Priestly对电相互作用的猜想，对库仑定律做了非常关键的一系列实验，诸如电斥力扭秤实验、电引力单摆实验，最后用实验证实，两带电体间的相互作用和两个物体间的万有引力一样和距离平方成反比，并受牛顿万有引力质点模型的启发，提出了点电荷的条件。但该条件不是主要条件，因为两个实际带电体间静电力的计算，尽管不能直接用库仑定律，但可以把两个带电体无限分割成电流元，这样只要计算出每两个电流元间静电力，最后进行矢量叠加，就能计算出它们间的作用力。③静止，其实静止才是库仑定律成立的根本，电荷间相互作用的本质是通过中间物质场来完成的，即A电荷对B电荷的作用本质是A产生的电场对B的作用，反之亦然。而根据麦克斯韦电磁理论，电荷周围有电场，并且静止电荷只会产生稳定的电场，而运动电荷在周围不仅能产生不稳定的电场，而且会产生磁场。稳定电场对处在其中的电荷只有稳定的静电力，但如果两相互作用的点电荷相对观察者是运动的，这样运动电荷在周围不仅产生电场，而且产生磁场，这样电荷间的作用就不再是简单的电相互作用，还有较复杂的磁相互作用，并且在电荷运动的情况下产生的电场不稳定，处在其中的电荷受到的电场力也不稳定，这时候电荷间的相互作用就不能用库仑定律计算了。是不是在研究两个电荷间的相互作用时，一定要让两电荷相对观察者都静止了？不是，静止这个条件可以放宽到相对观察者静止电荷对一个运动电荷的作用，但反过来不行。比如我们可以用库仑定律来计算原子核对电子的作用，但反过来就不行。所以库仑定律要成立，静止应该是最重要的条件。

现行中学物理课本，只把真空、点电荷作为库仑定律成立的条件，显然有悖库仑定律提出的初衷。尽管中学对电荷间作用的讨论不深，但一些定律的核心条件在教学时还应该被提出来，这样培养出的学生才会真正具备科学精神。