庫侖定律的發(fā)現(xiàn)過程與啟示

1、庫侖定律的發(fā)現(xiàn)過程與啟示【摘要】文章闡述了人類認(rèn)識(shí)電力的歷史和庫侖定律的發(fā)現(xiàn)過程，以及科學(xué)家對(duì)庫侖平方反比定律的驗(yàn)證和影響?！娟P(guān)鍵詞】靜電學(xué)；庫侖定律；平方反比律庫侖定律可以說是一個(gè)實(shí)驗(yàn)定律，也可以說是牛頓引力定律在電學(xué)和磁學(xué)中的“推論。假如說它是一個(gè)實(shí)驗(yàn)定律，庫侖扭稱實(shí)驗(yàn)起到了重要作用，而電擺實(shí)驗(yàn)?zāi)敲雌鹆藳Q定作用；即便是這樣，庫侖仍然借鑒了引力理論,模擬萬有引力的大小與兩物體的質(zhì)量成正比的關(guān)系,認(rèn)為兩電荷之間的作用力與兩電荷的電量也成正比關(guān)系。假如說它是牛頓萬有引力定律的推論，那么普利斯特利和卡文迪許等人也做了大量工作。因此，從各個(gè)角度考察庫侖定律，重新準(zhǔn)確的對(duì)它進(jìn)展認(rèn)識(shí)，確實(shí)是非常必要的。

2、一、科學(xué)家對(duì)電力的早期研究人類對(duì)電現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)、研究，經(jīng)歷了很長的時(shí)間。直到16世紀(jì)人們才對(duì)電的現(xiàn)象有了深化的認(rèn)識(shí)。吉爾伯特比擬系統(tǒng)地研究了靜電現(xiàn)象，第一個(gè)提出了比擬系統(tǒng)原始理論，并引人了“電吸引這個(gè)概念。但是吉爾伯特的工作仍停留在定性的階段，進(jìn)展不大。18世紀(jì)中葉，人們借助于萬有引力定律，對(duì)電和磁做了種種猜想。18世紀(jì)后期,科學(xué)家開場了電荷互相作用的研究。富蘭克林最早觀察到電荷只分布在導(dǎo)體外表。普利斯特利重復(fù)了富蘭克林的實(shí)驗(yàn)，在?電學(xué)的歷史和現(xiàn)狀?一書中他根據(jù)牛頓的?自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理?最先預(yù)言電荷之間的作用力只能與間隔 平方成反比。雖然這個(gè)思想很重要，但是普利斯特利的結(jié)論在當(dāng)時(shí)并沒有得到科學(xué)

3、界的重視。在庫侖定律提出前有兩個(gè)人曾作過定量的實(shí)驗(yàn)研究，并得到明確的結(jié)論?？上В紱]有及時(shí)發(fā)表而未對(duì)科學(xué)的開展起到應(yīng)有的推動(dòng)作用。一位是英國愛丁堡大學(xué)的羅賓遜，認(rèn)為電力服從平方反比律，并且得到指數(shù)n=2.06，從而電學(xué)的研究也就開場進(jìn)展準(zhǔn)確研究。不過，他的這項(xiàng)工作直到1801年才發(fā)表。另一位是英國的卡文迪許。17721773年間，他做了雙層同心球?qū)嶒?yàn)，第一次準(zhǔn)確測量出電作用力與間隔 的關(guān)系。發(fā)現(xiàn)帶電導(dǎo)體的電荷全局部布在外表而內(nèi)部不帶電?？ㄎ牡显S進(jìn)一步分析，得到n=20.02。他的這個(gè)同心球?qū)嶒?yàn)結(jié)果在當(dāng)時(shí)的條件下是相當(dāng)準(zhǔn)確的。但可惜的是他一直沒有公開發(fā)表這一結(jié)果。二、庫侖定律的建立庫侖是法國工程

4、師和物理學(xué)家。1785年,庫侖用扭稱實(shí)驗(yàn)測量兩電荷之間的作用力與兩電荷之間間隔 的關(guān)系。他通過實(shí)驗(yàn)得出:“兩個(gè)帶有同種類型電荷的小球之間的排擠力與這兩球中心之間的間隔 平方成反比。同年，他在?電力定律?的論文中介紹了他的實(shí)驗(yàn)裝置，測試經(jīng)過和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。庫侖的扭秤巧妙的利用了對(duì)稱性原理按實(shí)驗(yàn)的需要對(duì)電量進(jìn)展了改變。庫侖讓這個(gè)可挪動(dòng)球和固定的球帶上同量的同種電荷，并改變它們之間的間隔 。通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，斥力的大小與間隔 的平方成反比。但是對(duì)于異種電荷之間的引力，用扭稱來測量就遇到了費(fèi)事。經(jīng)過反復(fù)的考慮，庫侖借鑒動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)加以解決。庫侖設(shè)想：假如異種電荷之間的引力也是與它們之間的間隔 平方成反比，那

5、么只要設(shè)計(jì)出一種電擺就可進(jìn)展實(shí)驗(yàn)。通過電擺實(shí)驗(yàn)，庫侖認(rèn)為：“異性電流體之間的作用力，與同性電流體的互相作用一樣，都與間隔 的平方成反比。庫侖利用與單擺相類似的方法測定了異種電荷之間的引力也與它們的間隔 的平方成反比，不是通過扭力與靜電力的平衡得到的?？梢妿靵鲈诖_定電荷之間互相作用力與間隔 的關(guān)系時(shí)使用了兩種方法，對(duì)于同性電荷，使用的是靜電力學(xué)的方法；對(duì)于異性電荷使用的是動(dòng)力學(xué)的方法。庫侖注意修正實(shí)驗(yàn)中的誤差，最后得到：“在進(jìn)展剛剛我所說的必要的修正后，我總是發(fā)現(xiàn)磁流體的作用不管是吸引還是排擠都是按間隔 平方倒數(shù)規(guī)律變化的。但是應(yīng)當(dāng)指出的是，庫侖只是準(zhǔn)確的測定了間隔 平方的反比關(guān)系，并把靜電力和

6、靜磁力從形式歸納于萬有引力的范疇，我們這里要強(qiáng)調(diào)的是庫侖并沒有驗(yàn)證靜電力與電量之積成正比?！皫靵鰞H僅認(rèn)為應(yīng)該是這樣。也就是說庫侖驗(yàn)證了電力與間隔 平方成反比，但僅僅是推測電力與電量的乘積成正比。三、平方反比定律的驗(yàn)證和影響庫侖定律是平方反比定律，自發(fā)現(xiàn)以來，科學(xué)家不斷檢驗(yàn)指數(shù)2的精度。1971年威廉等人的實(shí)驗(yàn)說明庫侖定律中指數(shù)2的偏向不超過10-16，因此假定為2。事實(shí)上，指數(shù)為2和光子靜止質(zhì)量為零是可以互推的。其實(shí)假如z不為零，即使這個(gè)值很小，也會(huì)動(dòng)搖物理學(xué)大廈的重要基石，因?yàn)楝F(xiàn)有理論都是以z等于零為前提。到目前為止,理論和實(shí)驗(yàn)說明點(diǎn)電荷作用力的平方反比定律是相當(dāng)準(zhǔn)確的。200多年來，電力平

7、方反比律的精度進(jìn)步了十幾個(gè)數(shù)量級(jí),使它成為當(dāng)今物理學(xué)中最準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)定律之一?；貞泿靵龆傻慕⑦^程，庫侖并不是第一個(gè)做這類實(shí)驗(yàn)的人，而且他的實(shí)驗(yàn)結(jié)果也不是最準(zhǔn)確的。我們之所以把平方反比定律稱為庫侖定律是因?yàn)閹靵鐾戤吜穗妼W(xué)開展的第一個(gè)時(shí)期。庫侖的工作使靜電學(xué)臻于高度完善。電量的單位也是為了紀(jì)念庫侖而以他的名字命名的。庫侖定律不僅是電磁學(xué)的根本定律，也是物理學(xué)的根本定律之一。庫侖定律說明了帶電體互相作用的規(guī)律，決定了靜電場的性質(zhì)，也為整個(gè)電磁學(xué)奠定了基矗庫侖從1777年起就致力于把超距作用引入磁學(xué)和電學(xué)。他認(rèn)為靜電力和靜磁力都來自遠(yuǎn)處的帶電體和荷磁體，并不存在什么電流體和渦旋流體對(duì)帶電物質(zhì)和磁體的

8、沖擊；這些力都符合牛頓的萬有引力定律所確定的關(guān)系。庫侖提供了精細(xì)的測量，排除了關(guān)于電本性的一切思辯。庫侖的工作對(duì)法國物理學(xué)家的影響還可以從稍后的拉普拉斯的物理學(xué)簡單綱領(lǐng)得到證實(shí)。這個(gè)物理學(xué)簡單綱領(lǐng)最根本的出發(fā)點(diǎn)是把一切物理現(xiàn)象都簡化為粒子間吸引力和排擠力的現(xiàn)象，電或磁的運(yùn)動(dòng)是荷電粒子或荷磁粒子之間的吸引力和排擠力產(chǎn)生的效應(yīng)。這種簡化便于把分析數(shù)學(xué)的方法運(yùn)用于物理學(xué)。因此，理論物理學(xué)首先能在法國興起。另外，從庫侖定律的建立過程中,類比方法在科學(xué)研究中有重要作用。但是一些類比往往帶著暫時(shí)的過度性質(zhì)，它們?cè)谖锢韺W(xué)的開展中只是充當(dāng)“藥引子或者“催化劑的作用。因此，物理學(xué)家借助于類比而引進(jìn)新概念或建立新定律后，不應(yīng)當(dāng)局限于原先的類比，不能把類比所得到的一切推論都看成是絕對(duì)正確的東西，因?yàn)轭惐?、假設(shè)不過是物理學(xué)家在建筑物理學(xué)的宏偉大廈時(shí)的腳手架而已，大廈一旦建成，腳手架也就應(yīng)