庫倫定律討論課

1、庫侖定律的簡單介紹庫侖定律的簡單介紹庫侖定律簡單回憶庫侖定律簡單回憶庫侖定律（Coulombs law）是法國物理學(xué)家查利奧古斯丁庫侖（Coulomb，Charles-Augustin de，1736年-1806年）于1785年發(fā)現(xiàn)。庫侖定律是電學(xué)發(fā)展史上的第一個(gè)定量規(guī)律，它使電學(xué)的研究從定性進(jìn)入定量階段，是電學(xué)史中的一塊重要的里程碑。庫侖定律：在真空中兩個(gè)靜止的點(diǎn)電荷q1及q2之間的相互作用力的大小和q1q2的乘積成正比，和它們之間的距離r的平方成反比，作用力的方向沿著它們的連線，同號(hào)電荷相斥，異號(hào)電荷相吸引。 庫侖定律的適用條件庫侖定律的適用條件一般來講適用條件是真空，點(diǎn)電荷，靜電場。1,

2、這三個(gè)條件中，真空是非必須的，在其它介質(zhì)中使用庫倫定律時(shí)只需補(bǔ)充相對(duì)介電常數(shù)；2,點(diǎn)電荷也是非必須的，一般的帶電體可以看做無限多個(gè)點(diǎn)電荷，可以對(duì)其進(jìn)行積分求庫侖力；3,關(guān)于靜止，只要源電荷靜止，討論受力電荷所受庫倫力就可以使用庫倫定律，庫倫定律并不要求受力電荷一定靜止。受力電荷運(yùn)動(dòng)時(shí)庫侖力數(shù)值并不改變，但因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)而受到磁場力的作用，使得受力電荷所受總的電磁力發(fā)生了變化。早期研究階段早期研究階段人類對(duì)電現(xiàn)象的研究經(jīng)歷了很長一段時(shí)間。直到16世紀(jì)吉爾伯特才第一個(gè)提出比較系統(tǒng)的研究了靜電現(xiàn)象，第一個(gè)提出了比較系統(tǒng)的原始理論，并引入了“電吸引電吸引”這個(gè)概念。但是吉爾伯特的研究仍停留在定性的階段。18

3、世紀(jì)中葉人們通過萬有引力定律對(duì)電和磁做了種種猜測（類比）吉爾伯特(15441603)英國著名的醫(yī)生、物理學(xué)家18世紀(jì)后期人們開始了對(duì)電荷相互作用研究。菲利斯特斯利在電學(xué)的歷史和現(xiàn)狀一書中根據(jù)牛頓的自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理，最先預(yù)言了電荷之間的作用力電荷之間的作用力只能與距離平方成反比只能與距離平方成反比。雖然這個(gè)思想很重要，菲利斯特斯里的思想在當(dāng)時(shí)并未得到科學(xué)界的重視，從而制約了電荷間關(guān)系的發(fā)展。 最終,現(xiàn)今所公認(rèn)的庫侖定律是由法國物理學(xué)家?guī)靵鲈?785年發(fā)現(xiàn)的.但是在此期間,還有兩位學(xué)者曾做過定量的實(shí)驗(yàn)研究,并得到同樣的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。17691769年年, ,英國愛丁堡大學(xué)的羅賓遜設(shè)計(jì)了一個(gè)轉(zhuǎn)臂裝置來

4、改變電英國愛丁堡大學(xué)的羅賓遜設(shè)計(jì)了一個(gè)轉(zhuǎn)臂裝置來改變電力的力矩和重力的力矩力的力矩和重力的力矩, ,并使之達(dá)到平衡并使之達(dá)到平衡. .然后他從支架的平衡角度推然后他從支架的平衡角度推算出電力算出電力F F與距離與距離r r的關(guān)系的關(guān)系, ,用公式用公式F1/r2+F1/r2+表示表示, ,根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果推算根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果推算得出得出=0.06,=0.06,這個(gè)這個(gè)叫做指數(shù)偏差。叫做指數(shù)偏差。 羅賓遜認(rèn)為羅賓遜認(rèn)為, ,指數(shù)偏大的原因應(yīng)歸于實(shí)驗(yàn)誤差指數(shù)偏大的原因應(yīng)歸于實(shí)驗(yàn)誤差, ,由此得出平方反比由此得出平方反比定律的結(jié)論定律的結(jié)論. .但是但是, ,該實(shí)驗(yàn)結(jié)果僅限于同性電的斥力該實(shí)驗(yàn)結(jié)果僅限于同性

5、電的斥力, ,至于異性電的吸力至于異性電的吸力, ,他的裝置難以得出結(jié)論。他的裝置難以得出結(jié)論。 1773年，卡文迪許用兩個(gè)同心金屬殼做實(shí)驗(yàn)，外球殼由兩個(gè)半球裝置而成，兩半球合起來正好形成內(nèi)球的同心球。通過一根導(dǎo)線將內(nèi)外球連起來，外球殼帶電后，取走導(dǎo)線，打開外球殼，檢驗(yàn)內(nèi)球殼是否帶電。結(jié)果顯示內(nèi)球沒有帶電，電荷完全分布在外球上。1731-1810英國物理學(xué)家、化學(xué)家?guī)靵鍪欠▏こ處熀臀锢韺W(xué)家。1736年6月14日生于昂古萊姆。1761年畢業(yè)于軍事工程學(xué)校，并作為軍事工程師服役多年。后因健康日壞，被迫回家，因此有閑暇從事科學(xué)研究。由于他寫的一篇題為簡單機(jī)械論的報(bào)告而獲得法國科學(xué)院的獎(jiǎng)勵(lì)，并由此于

6、1781年當(dāng)選為法國科學(xué)院院士。法國大革命時(shí)期，他辭去公職，在布盧瓦附近鄉(xiāng)村過隱居生活，拿破侖執(zhí)政后，他返回巴黎，繼續(xù)進(jìn)行研究工作。1806年8月23日在巴黎逝世。人物評(píng)價(jià)人物評(píng)價(jià)：偉大的物理學(xué)家?guī)靵鍪鞘耸兰o(jì)最偉大的物理學(xué)家之一，他的杰出貢獻(xiàn)是永遠(yuǎn)也不會(huì)磨滅的。1785年,庫侖用扭秤實(shí)驗(yàn)扭秤實(shí)驗(yàn)測量兩電荷之間的作用力與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，測試經(jīng)過和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。庫侖定律的建立庫侖定律的建立扭秤扭秤簡單介紹簡單介紹在物理學(xué)發(fā)展的前期，人們對(duì)微弱作用的測量感到困

7、難，因?yàn)檫@些微弱的作用人們通常都感覺不到。后來，物理學(xué)家們想到了懸絲，要把一根絲拉斷需要較大的力，而要使一根懸絲扭轉(zhuǎn)，有一個(gè)很小的力就可以做到了。根據(jù)這個(gè)設(shè)想，法國物理學(xué)家?guī)靵龊陀目茖W(xué)怪杰卡文迪許于1785年和1789年分別獨(dú)立地發(fā)明了扭秤。扭秤實(shí)驗(yàn)可以測量微弱的作用，關(guān)鍵在于它把微弱的作用效果經(jīng)過了兩次放大：一方面微小的力通過較長的力臂可以產(chǎn)生較大的力矩，使懸絲產(chǎn)生一定角度的扭轉(zhuǎn)；另一方面在懸絲上固定一平面鏡，它可以把入射光線反射到距離平面鏡較遠(yuǎn)的刻度尺上，從反射光線射到刻度尺上的光點(diǎn)的移動(dòng)，就可以把懸絲的微小扭轉(zhuǎn)顯現(xiàn)出來。庫侖的庫侖的扭扭秤秤實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)扭秤的結(jié)構(gòu)如下：在細(xì)金屬絲下懸掛一根

8、秤桿，它的一端有一小球A，另一端有平衡體P，在A旁還置有另一與它一樣大小的固定小球B。為了研究帶電體之間的作用力，先使A、B各帶一定的電荷，這時(shí)秤桿會(huì)因A端受力而偏轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)動(dòng)懸絲上端的懸鈕，使小球回到原來位置。這時(shí)懸絲的扭力矩等于施于小球A上電力的力矩。如果懸絲的扭力矩與扭轉(zhuǎn)角度之間的關(guān)系已事先校準(zhǔn)、標(biāo)定，則由旋鈕上指針轉(zhuǎn)過的角度讀數(shù)和已知的秤桿長度，可以得知在此距離下A、B之間的作用力。庫侖定律的建立庫侖定律的建立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)行了改變。庫侖讓這個(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

9、是對(duì)于異種電荷之間的引力，用扭稱來測量就遇到了麻煩。經(jīng)過反復(fù)的思考，庫侖借鑒動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)加以解決。庫侖設(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)，庫侖認(rèn)為：“異性電流體之間的作用力，與同性電流體的相互作用一樣，都與距離的平方成反比。” 為了驗(yàn)證電荷之間的引力與電荷間距離的平方成反比的規(guī)律，庫侖還設(shè)計(jì)的電擺實(shí)驗(yàn)如下所示：其裝置如圖所示：G為絕緣金屬球，lg為蟲膠做的小針，懸掛在78尺長的蠶絲sc下端，l端放一鍍金小圓紙片G、l間的距離可調(diào)實(shí)驗(yàn)時(shí)使G、l帶異號(hào)電荷，則小針受到電引力作用可以在水平面內(nèi)做小幅擺動(dòng)測量出G、l在不同距離時(shí)，

10、lg擺動(dòng)同樣次數(shù)的時(shí)間，從而計(jì)算出每次振動(dòng)的周期庫侖受萬有引力定律的啟發(fā)，把電荷之間的吸引力和地球?qū)ξ矬w的吸引力加以類比，猜測電擺振動(dòng)的周期與帶電小紙片l到絕緣帶電金屬球G之間的距離成正比電擺實(shí)驗(yàn)庫侖定律小結(jié)庫侖定律小結(jié)總的來說，庫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)的方法扭秤實(shí)驗(yàn)；對(duì)于異性電荷，使用的是動(dòng)力學(xué)的方法電擺實(shí)驗(yàn)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”。如果說它是一個(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)則起了決定作用；即便是這樣，庫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)是非常必要的?？茖W(xué)研究中類比法的應(yīng)用科學(xué)研究中類比法的應(yīng)用從庫侖定律的建立過程中，我們可以看出類比方法在科學(xué)研究中有重要作用。類比推理法在物理學(xué)史上還有許多例子。例如伽利略通過人脈搏的跳動(dòng)類比空中擺動(dòng)的油燈發(fā)現(xiàn)