庫(kù)侖定律的發(fā)現(xiàn)過程與啟示

1、 庫(kù)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(kù)侖定律的發(fā)現(xiàn)過程，以及科學(xué)家對(duì)庫(kù)侖平方反比定律的驗(yàn)證和影響?！娟P(guān)鍵詞】靜電學(xué)；庫(kù)侖定律；平方反比律庫(kù)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”。如果說它是一個(gè)實(shí)驗(yàn)定律，庫(kù)侖扭稱實(shí)驗(yàn)起到了重要作用，而電擺實(shí)驗(yàn)則起了決定作用；即便是這樣，庫(kù)侖仍然借鑒了引力理論,模仿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。如果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(kù)侖定律，重新準(zhǔn)確的對(duì)它進(jìn)行認(rèn)識(shí)，確實(shí)是非常必要

2、的。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(zhǎng)的時(shí)間。直到世紀(jì)人們才對(duì)電的現(xiàn)象有了深入的認(rèn)識(shí)。吉爾伯特比較系統(tǒng)地研究了靜電現(xiàn)象，第一個(gè)提出了比較系統(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。世紀(jì)中葉，人們借助于萬有引力定律，對(duì)電和磁做了種種猜測(cè)。世紀(jì)后期,科學(xué)家開始了電荷相互作用的研究。富蘭克林最早觀察到電荷只分布在導(dǎo)體表面。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距離平方成反比。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)界的重視。在庫(kù)侖

3、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)的發(fā)展起到應(yīng)有的推動(dòng)作用。一位是英國(guó)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=.，從而電學(xué)的研究也就開始進(jìn)行精確研究。不過，他的這項(xiàng)工作直到年才發(fā)表。另一位是英國(guó)的卡文迪許。年間，他做了雙層同心球?qū)嶒?yàn)，第一次精確測(cè)量出電作用力與距離的關(guān)系。發(fā)現(xiàn)帶電導(dǎo)體的電荷全部分布在表面而內(nèi)部不帶電?？ㄎ牡显S進(jìn)一步分析，得到n=.。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)精確的。但可惜的是他一直沒有公開發(fā)表這一結(jié)果。二、庫(kù)侖定律的建立庫(kù)侖是法國(guó)工程師和物理學(xué)家。年,庫(kù)侖用扭稱實(shí)驗(yàn)測(cè)量?jī)呻姾芍g的作用力與

4、兩電荷之間距離的關(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斥力與這兩球中心之間的距離平方成反比?！蓖?，他在電力定律的論文中介紹了他的實(shí)驗(yàn)裝置，測(cè)試經(jīng)過和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。庫(kù)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)行了改變。庫(kù)侖讓這個(gè)可移動(dòng)球和固定的球帶上同量的同種電荷，并改變它們之間的距離。通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，斥力的大小與距離的平方成反比。但是對(duì)于異種電荷之間的引力，用扭稱來測(cè)量就遇到了麻煩。經(jīng)過反復(fù)的思考，庫(kù)侖借鑒動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)加以解決。庫(kù)侖設(shè)想：如果異種電荷之間的引力也是與它們之間的距離平方成反比，那么只要設(shè)計(jì)出一種電擺就可進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。通過電擺實(shí)驗(yàn)，庫(kù)侖認(rèn)為：“異性電流體之間的

5、作用力，與同性電流體的相互作用一樣，都與距離的平方成反比?！睅?kù)侖利用與單擺相類似的方法測(cè)定了異種電荷之間的引力也與它們的距離的平方成反比，不是通過扭力與靜電力的平衡得到的。可見庫(kù)侖在確定電荷之間相互作用力與距離的關(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(kù)侖注意修正實(shí)驗(yàn)中的誤差，最后得到：“在進(jìn)行剛才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斥都是按距離平方倒數(shù)規(guī)律變化的?！钡菓?yīng)當(dāng)指出的是，庫(kù)侖只是精確的測(cè)定了距離平方的反比關(guān)系，并把靜電力和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(kù)侖并沒有驗(yàn)證靜電力與電量之積

6、成正比?！皫?kù)侖僅僅認(rèn)為應(yīng)該是這樣。也就是說庫(kù)侖驗(yàn)證了電力與距離平方成反比，但僅僅是推測(cè)電力與電量的乘積成正比?！比⑵椒椒幢榷傻尿?yàn)證和影響庫(kù)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)的精度。年威廉等人的實(shí)驗(yàn)表明庫(kù)侖定律中指數(shù)的偏差不超過-，因此假定為。事實(shí)上，指數(shù)為和光子靜止質(zhì)量為零是可以互推的。其實(shí)如果mz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mz等于零為前提。到目前為止,理論和實(shí)驗(yàn)表明點(diǎn)電荷作用力的平方反比定律是相當(dāng)精確的。多年來，電力平方反比律的精度提高了十幾個(gè)數(shù)量級(jí),使它成為當(dāng)今物理學(xué)中最精確的實(shí)驗(yàn)定律之一?；仡檸?kù)侖定律的建立過程，庫(kù)侖并不

7、是第一個(gè)做這類實(shí)驗(yàn)的人，而且他的實(shí)驗(yàn)結(jié)果也不是最精確的。我們之所以把平方反比定律稱為庫(kù)侖定律是因?yàn)閹?kù)侖結(jié)束了電學(xué)發(fā)展的第一個(gè)時(shí)期。庫(kù)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(kù)侖而以他的名字命名的。庫(kù)侖定律不僅是電磁學(xué)的基本定律，也是物理學(xué)的基本定律之一。庫(kù)侖定律闡明了帶電體相互作用的規(guī)律，決定了靜電場(chǎng)的性質(zhì)，也為整個(gè)電磁學(xué)奠定了基礎(chǔ)。庫(kù)侖從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(kù)侖提供了精密的測(cè)量，排除了關(guān)于電本性的一切思辯。庫(kù)侖的工作對(duì)法國(guó)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(jiǎn)略綱領(lǐng)得到證實(shí)。這個(gè)物理學(xué)簡(jiǎn)略綱領(lǐng)最基本的出發(fā)點(diǎn)是把一切物理現(xiàn)象都簡(jiǎn)化為粒子間吸引力和排斥力的現(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斥力產(chǎn)生的效應(yīng)。這種簡(jiǎn)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(guó)興起。另外，從庫(kù)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)的發(fā)展中只是充當(dāng)“藥引子”或者“催化劑”的作用。因此，物