库仑定律的教学价值*①

于 军 朱伟玲 吴登平

(广东石油化工学院 广东 茂名 525000)

1 引言

库仑定律是电磁学发展史上人类提出的第一条定量规律.该定律的提出，标志着人类对电磁现象的研究从定性进入到了定量阶段.库仑定律是牛顿引力理论的发展，是高斯定理的有力支撑，为静电学和静磁学提供了理论武器，使人类对电磁学的研究少走了不少弯路，直接形成了严密的电磁规律.从教学方面看，库仑定律是电磁学内容开篇后遇到的第一条规律.在教学内容的逻辑安排上，库仑定律是为点电荷电场分布函数的引入服务的，而点电荷电场分布函数又是其他带电物体电场分布函数的基元形式.由此可见，库仑定律是电磁学规律建立过程的一座里程碑，也是电磁学教学中一个非常重要的桥头堡.

在国内影响力较大，使用面较广的几套大学教材基本都是将电荷、电荷守恒、电荷量子化与库仑定律作为电磁学开篇内容，随后引出“静电场”概念，进而利用库仑定律定量推出点电荷电场分布函数，再利用叠加原理给出其他带电物体电场分布函数的一般求解方法.实际教学中，该知识点大多被做如下处理：在给出库仑定律的文字形式与数学形式后，对力的方向、大小及定律的成立条件做几点说明，随后迅速转入到“静电场”的教学中.在库仑定律的讲解过程中，部分教师会提及库仑扭秤，但很少展开.这种处理方式大多源于主讲教师的以下认识： “电磁场”是电磁学中最重要的概念之一，必须深入理解；而关于几种典型静电场场强分布函数的计算则是必须熟练掌握的考点.基于为“静电场”这个中心概念服务的需要，库仑定律仅仅是为他人之需而充当服务生的角色，无需细讲.如果我们从以下两个方面来考虑，可能就不会如此轻率地处理这部分内容了.

2 库仑定律的产生是多种科学方法合理使用的结果①

创新人才的培养、综合素质的提高是现代教育的主要任务之一.科学发展史表明，任何新的科学发现都是一系列科学方法被合理采用的必然结果.所以，创新型人才的培养离不开科学方法教育.从定律形成的微观细节看,首先是牛顿于1687年提出了万有引力理论，为库仑定律的形成树立了一个可供临摹的范本.1759年，爱皮努斯对电力所作的“电荷之间的斥力和吸力随带电物体的距离的减少而增大”的假设，是观察了诸多静电现象之后所作的科学归纳.1760年，D·伯努利首先猜测“电力服从平方反比定律”；基于电力与万有引力的类比，进而将牛顿的引力理论想当然地拓展到了电磁领域.1767年，英国人普利斯特利在他的《电学历史和现状及其原始实验》一书中写道的重要结论：电的吸引与万有引力服从同一定律，即距离的平方.这是基于之前的两个事实所给出的科学推理与判断.一个是富兰克林的空罐实验(也叫冰桶实验).富兰克林发现，悬吊于带电金属罐内的软木球不受金属罐上电荷的作用.另一个事实是牛顿早在1687年就从理论上证明过的，如果万有引力服从平方反比定律，则均匀的物质球壳对壳内物体应无作用.普利斯特利将这两个事件联系起来，大胆给出了科学推断.他的工作标志着库仑定律的发现上了一个层次,从原始的基于某些自然现象的猜测发展到有一定实验支持的科学推断，期间科学方法起到了关键作用.

普利斯特利的工作将库仑定律引入到科学验证阶段，该阶段是比较与分类、分析与综合、归纳与演绎、理想化、类比、等效转换、理论指导实验等诸多科学方法的集中体现.1769年，苏格兰人罗比逊的杠杆装置将“力的作用”转化为“力矩的作用”，从而第一次从实验的角度直接验证了库仑定律.1773年，英国人卡文迪什的同心球实验被认为是物理实验的典范.他用的是当年最原始的电测仪器，却获得了超乎时代的精确结果.他成功的关键在于掌握了牛顿万有引力定律这一理论武器，通过数学处理，将直接测量变为间接测量，并且用了示零法精确地判断结果，从而得到了电力的平方反比定律.1785年,库仑的扭秤实验是一个划时代的伟大实验，他利用力矩平衡的思路，通过对悬丝的扭转力矩的测量，实现了对静电斥力的测量；而用于测量异号电荷间静电引力的库仑振荡扭秤的设计思想,则源于力学中物体的摆动周期与引力强弱间的定量关系.

从库仑定律形成的宏观过程看，先是观察现象，提出问题，猜测答案；再是设计实验测试，归纳寻找关系，形成定律(理)；最后考察成立条件、适用范围,提出严格的表达形式,探寻其理论地位.可见，库仑定律的建立经历了一个科学的探究过程，过程的科学性保证了结论的可靠性.纵观库仑定律的发现过程，期间一直贯穿着“科学方法引导科学发现”这一主线，而库仑定律的数学形式

3 在教学内容安排上库仑定律具有承前启后的作用

从教学内容安排上看，《电磁学》一般是在学生学习完《力学》之后，《近代物理》之前开设，所以，电磁学中的内容往往具有承前启后的作用.从方法论讲，人类用科学的方法得到了电磁理论，我们在实际教学中也应采用科学合理的方法处理相应内容，才能展示出内容上的承前启后，体现出教学效果与形式的完美统一.以“库仑定律”一节为例，采用与质点力学引力理论相对比的“对比法”是合适的、恰当的.“库仑定律”是在介绍了“点电荷”模型之后引入的，“点电荷”与“质点”本是一对相类似的理想模型.作用于两个不相接触质点之间的是万有引力，而作用于两个不相接触点电荷之间的则是库仑力,二者的数学形式具有高度的相似性.万有引力是保守力，万有引力场是保守场，该场中可以引入势(能)函数；相似的是，库仑力也是保守力，静电场也是保守场，该场中也可以引入势(能)函数.静电场中可以用电场强度来描述电场对点电荷的作用力，同样在引力场中也是可以引入“引力场强度”来描述引力场对质点的作用力……如此“对比”讲解，学生在顺利学到电学知识的同时，还对力学知识点进行了巩固与拓展，可谓一举多得.

通过对库仑定律成立条件“点电荷”的讲解，使学生了解到合理的“抽象”是一种科学方法.通过对库仑定律成立条件“真空”的分析，为后续“电介质”内容做好铺垫；通过对库仑定律成立条件“静止”的强调，一方面为后续内容“运动电荷产生磁场”、“磁场对运动电荷有磁场力的作用”做铺垫,另一方面也为《电动力学》中的相应内容预留了接口.通过对库仑定律中的平方反比定律精确度的介绍，可使学生进一步了解到库仑定律的重要即它直接关系着磁单极的存在与否;直接关系光子的静止质量;更直接关系经典电磁理论与狭义相对论这两大理论的正确性，进而对现有物理学理论体系产生着重大而深远的影响……相信，以上的处理有利于学生将所学各方面知识融会贯通，也有利于学生对“理论体系”有一个感性认识.雄伟、壮丽的大厦由许多立柱、横梁承载，其中任何一个不起眼的柱体、横梁都可能对整幢大厦的安全性产生决定性的影响.

4 结语

通过以上分析可以看出，库仑定律是人类对大量实验事实进行科学、理性的思维后产生的直接结果.库仑定律是集诸多科学方法于一体的产物，在教学中具有无与伦比的科学方法教育的价值.实际教学中如果无视其自身丰富的科学方法教育价值，仅仅将其处理成一个为他人之需的服务生角色，则无异于“买椟还珠”.库仑定律在内容安排上具有承前启后的作用，处理得好可以使学生在顺利接受新知识的同时又对旧知识进行了巩固与拓展，还为今后的知识点作了必要的铺垫，预留下一些知识对接的接口.教学内容的处理很大程度取决于教师的教学理念与课时数，对于一个有着现代教育理念的物理教师而言是不应该轻易糟蹋掉这样一个科学方法教育的典型素材的.

参考文献

1 郭奕玲,沈慧君. 物理学史. 北京：清华大学出版社.1993.118～123