库仑定律的探讨.doc

库仑定律的探讨 摘要：这是一篇介绍有关库仑定律一些相关问题的文章。文章中介绍了库仑定律的发现过程和科学家对库仑定律的认识，以及库仑定律的适用范围，还包括库仑定律在教学中的一些有关问题的探讨，使我们对库仑定律了解更加深刻。 关键词：库仑定律；启示；适用条件；库伦 1 库仑定律的建立 18世纪中叶以后，人们对电荷的种类及电荷间相互作用的规律已经了解，知道了自然界的电荷只有两种。同种电荷相斥，异种电荷相吸。留待解决的是如何溯量苴作用力的大小同题。当时有许多物理工作者进行着这方面的研究。值得一提的是l765年富兰克林所傲的实验，他用一软木球悬于带电的金属罐中不同位置，发现软木球不受万酌作用，当将软木球悬于罐外附近时软木球受到强烈的趿引。此实验现象说明什么，富兰克林不得而知，便写信给朋友丁·普瑞斯特列请其重傲实验，普瑞斯特列按照富兰克林的方法重做实验观察到相同的现象。之后他将电力与牛顿的万有引力定律作了类比，推想到电的吸引作用遵从跟引力相同的定律，即与距离平方成反比的规律，因为容易证明，设若地球为立-球壳，则置于其中的一个物体受到一侧的吸引力将不会大于另一侧的。在受牛顿关于球壳中受力的分析启发后，普瑞斯特剜得出了电力的相互作用遵从反平方定律的结论。遗憾的是他对这个大胆的推测没有加以证明，由此可见平方反比定律竞由猜测引出。 最初，库伦参加设计一种指向力强、抗干扰性能好的指南针的竞赛活动，提出了丝悬指南针的设想，并由此得到法国科学院为竞赛所设立的磁学奖，也可以说这就是扭秤的前身。因为当他把丝悬指南针用于测定地磁场场强时，发现丝线抗大气电的干扰能力不强，于是他用金属丝代替了丝线，后来他又给出了扭力的计算公式。公式中的l和d分别为金属丝的长度和直径，μ为弹性系数，θ为金属丝的扭转角。扭力计算公式为扭秤实验提供了主体结构和定量测定力的依据。后来，库仑就是用扭秤仪器进行实验的。这个扭秤可以测定0.005达因的力，可见相当精巧。它是由直径和高均为32.48厘米的玻璃圆筒和上边的一个直径为35.19厘米的玻璃圆盖构成的。这个圆盖上有两个孔，一个孔在一侧，一个孔在中央，孔的直径为4.51厘米。中央孔处装有高为64.96厘米的玻璃管，玻璃管的上端装有测定扭转角大小的测微计，并悬挂一根银丝。悬丝下挂一横杆，横杆的一端为带电小球，另一端为作配平用的圆纸片。玻璃圆筒上刻有360个刻度。在一侧的孔用绝缘棒悬挂另一带电球。实验前作好调零的准备工作，然后做排斥力与距离关系的实验，作了三次记录：第一次两小球相距36个刻度，第二次为18个刻度，第三次为8.5个刻度；而银丝的扭转角度：第一次为36度，第二次为144度，第三次为575.5度。于是，他们之间存在如下比例关系：1∶1/2∶1/4=1∶4∶16。按扭转力来计算，第一次约为0.0153达因；第二次约为0.0612达因；第三次约为0.245达因。从而得出如下结论：两个带有同样类型电荷间的排斥力与两球中心之间的距离平方成反比。 库仑在做异性电荷吸引力与距离的关系实验，利用扭秤时遇到了困难，主要是两球相吸，很难保持稳定，相吸的结果常常是相互接触而发生电荷中和现象，使实验无法进行下去。于是，库仑采取了另外一种方法：从测定振动周期，来确定力与距离的关系，他巧妙地设计了一个新的实验装置，来实现他的设想。 至于力与电量之间的关系，由于当时还没有一个衡量电量多少的公认的单位制，不能直接给出定量的证明，但库仑采取让带电球与不带电球相互接触的办法，解决了这个问题。这样就可以得到等于原电量的1/2、1/4、……，从而得出电力与电量相乘积成正比的结论。 同时，库仑采用同样的方法（平衡法与振动法）得到磁力的相互作用定律。至此，库仑终于于1785年在法国科学院发表的关于电力与磁力的作用规律的论文中，提出了电荷（或磁极）之间的作用力与其距离的平方成反比，和两者所带电量（或磁极强弱）的乘积成正比的关系。这就是著名的库仑定律。 库仑定律的问世，不仅揭示了电力（或磁力）相互作用的规律，奠定了静电（磁）学的理论基础，同时还暗示电、磁作用力与万有引力存在着内在的一致性，为统一自然力提供了重要的线索。库仑是静电（磁）学的第一位奠基人。 2 库仑定律的确切表述 对于库仑定律的内容，不同的教材表述不完全一致。郭硕鸿编《电动力学》、赵凯华主编《电磁学》、程守洙主编《普通物理学》 在库仑定律的表述中要求两个点电荷都静止。很多中学物理教师对库仑定律的确切表述也很关注Es]。 根据上面的计算结果可知当施力电荷静止，受力电荷运动时库仑定律仍然成立。因此，库仑的确切表述应当是：真空中两个点电荷，若静止，不论运动与否，的作用力为（1）(为二者之间的瞬时距离)。 3 库仑定律的适用范围和适用条件 3.1扭称试验对库仑定律的证明范围 1785年,法国物理学家库仑通过扭称试验