點(diǎn)電荷間相互作用力的探索過(guò)程及啟示

點(diǎn)電荷間相互作用力的探索過(guò)程及啟示甘肅省武威市武威二中王惠芳選自《中學(xué)物理教學(xué)參考》2009年第5期我們已經(jīng)知道，自然界中存在兩種電荷，那么電荷之間相互作用力的大小跟哪些因素有關(guān)呢？科學(xué)家們是怎樣研究的？了解這一過(guò)程會(huì)讓我們受到很多啟示。一、點(diǎn)電荷間相互作用的早期研究早在公元前五世紀(jì)的希臘時(shí)代，就有了關(guān)于靜電現(xiàn)象的歷史記載。我國(guó)西漢末年就有經(jīng)過(guò)摩擦的玳瑁能夠吸引微小物體的記載。但直到1660年，蓋里克發(fā)明了摩擦起電機(jī)后，人們才真正開(kāi)始了對(duì)電現(xiàn)象的詳細(xì)觀察和細(xì)致研究。1733年，杜菲（DuFay,1698?1739）經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)區(qū)分出兩種電荷，并由此總結(jié)出靜電作用的基本性質(zhì)：同性相斥，異性相吸。二、對(duì)點(diǎn)電荷間相互作用的各種猜測(cè)到18世紀(jì)中葉，牛頓力學(xué)已經(jīng)取得輝煌勝利，人們借助于萬(wàn)有引力定律，對(duì)電場(chǎng)力和磁場(chǎng)力作了種種猜測(cè)。1．愛(ài)皮努斯（F．U．T．Aepinus，1724?1802）的假說(shuō)德國(guó)柏林科學(xué)院院士愛(ài)皮努斯1759年對(duì)電場(chǎng)力作了研究。他在書中假設(shè)電荷之間的斥力和引力隨帶電物體間距離的減少而增大，從而對(duì)靜電感應(yīng)現(xiàn)象作出了更完善的解釋。不過(guò)，他并沒(méi)有實(shí)際測(cè)量電荷間的作用力，因而這個(gè)觀點(diǎn)只是一種猜測(cè)。．D．伯努利的假說(shuō)在1760年，D．伯努利首先猜測(cè)電場(chǎng)力會(huì)不會(huì)也跟萬(wàn)有引力一樣，服從平方反比規(guī)律。他的想法顯然有一定的代表性，因?yàn)槠椒椒幢纫?guī)律在牛頓的形而上學(xué)自然觀中是很自然的觀念。．普利斯特利（Priestley，1733?1804）的假說(shuō)1755年，富蘭克林在空罐實(shí)驗(yàn)（也叫冰桶實(shí)驗(yàn)）中觀察到這樣一種現(xiàn)象：“把一只品脫銀罐放在電支架（即絕緣支架）上，使它帶電，用絲線吊著一個(gè)直徑約為 1英寸的木髓球，放進(jìn)銀罐中，直到觸及罐的底部。但是，當(dāng)取出木髓球時(shí)，卻發(fā)現(xiàn)接觸沒(méi)有使它帶電，像從外部接觸的那樣?！碑?dāng)時(shí)，沒(méi)有人能解釋這種現(xiàn)象。后來(lái)，富蘭克林寫信告訴他的朋友普利斯特利這一實(shí)驗(yàn)

現(xiàn)象并向他求教。普利斯特利是位化學(xué)家，對(duì)電學(xué)也很有研究。普利斯特利重復(fù)做了富蘭克林的空罐實(shí)驗(yàn)，最后，他從這個(gè)實(shí)驗(yàn)中得出： “電的吸引力與萬(wàn)有引力服從同一規(guī)律，即平方反比規(guī)律。因?yàn)楹苋菀鬃C明，假如地球是一個(gè)球殼，在殼內(nèi)的物體受到一邊的吸引作用，決不會(huì)大于另一邊的吸引?！逼绽固乩倪@一結(jié)論并不是憑空想出來(lái)的，因?yàn)榕ｎD早在 1687年就證明過(guò)，如果萬(wàn)有引力服從平方反比規(guī)律，那么均勻的物質(zhì)球殼對(duì)殼內(nèi)物體應(yīng)無(wú)作用。不過(guò)，普利斯特利的結(jié)論并沒(méi)有得到科學(xué)界的普遍重視，因?yàn)樗](méi)有特別明確地進(jìn)行論證，仍然只停留在猜測(cè)階段。，點(diǎn)電荷間相互作用的定量研究盡管這時(shí)人們對(duì)電的認(rèn)識(shí)有了初步的成果，但是，如果不建立定量的規(guī)律，電的知識(shí)還不能形成一門嚴(yán)密的科學(xué)。后來(lái)，科學(xué)家們沿著這個(gè)思路開(kāi)始了對(duì)點(diǎn)電荷間相互作用的定量研究。.羅賓森(JohnRobison,1739?1805)的實(shí)驗(yàn)研究1759年，羅賓森從愛(ài)皮努斯的著作中了解到他對(duì)電場(chǎng)力的猜測(cè)。他對(duì)此很感興趣，就設(shè)計(jì)了一個(gè)杠桿裝置。裝置利用活動(dòng)杠桿所受重力和電場(chǎng)力的平衡， 從支架平衡的角度求電場(chǎng)力與距離的關(guān)系。他確定了同種電荷間的斥力反比于電荷間距的 2.06次冪，異種電荷間的吸引力反比于電荷間距的小于 2的次冪。他認(rèn)為，指數(shù)有偏差的原因是由于實(shí)驗(yàn)誤差。 由此，他得到結(jié)論：電場(chǎng)力服從平方反比規(guī)律。可惜，他的實(shí)驗(yàn)結(jié)果因沒(méi)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。2.卡文迪許(HrmryCavendish,1731?1810)的實(shí)驗(yàn)研究英國(guó)的卡文迪許考慮到電場(chǎng)力和萬(wàn)有引力的相似性，設(shè)想有一薄球殼，在它表面上有均勻分布的電荷，在這個(gè)球殼內(nèi)放入一個(gè)電荷，若電荷之間的相互作用力反比于它們之間距離的平方，那么根據(jù)引力的討論可以得知，整個(gè)球殼上均勻分布的電荷對(duì)該電荷總作用力的合力為零。1773年，卡文迪許用兩個(gè)同心金屬球殼做實(shí)驗(yàn)，外球殼由兩個(gè)半球組成，兩半球合起來(lái)正好形成內(nèi) 廣孝瘍球的同心球?？ㄎ牡显S這樣描述他的裝置(如圖 1 /常”所示)： 芯盔哮謫K我取一個(gè)直徑為12.1英寸的球，用一根實(shí)心遇#" -弋、的玻璃棒穿過(guò)其中心當(dāng)做軸，并覆蓋以封蠟……然 "工’”力煲：▲冊(cè)后把這個(gè)球封在兩個(gè)中空的半球中間，半球直徑為 廣雄一1?n/X飛13.3英寸，1.20英寸厚……然后，我用一根導(dǎo)線將 ，毒于飛夕萊頓瓶的正極接到半球，使半球帶電?！笨ㄎ牡显S通 不七機(jī)過(guò)一根導(dǎo)線將內(nèi)外球連在一起，外球殼帶電后，取走導(dǎo)線，打開(kāi)外球殼，用木髓球驗(yàn)電器試驗(yàn)內(nèi)球是否帶電。結(jié)果發(fā)現(xiàn)木髓球驗(yàn)電器沒(méi)有指示，證明內(nèi)球沒(méi)有帶電，電荷完全分布在外球上?？ㄎ牡显S將這個(gè)實(shí)驗(yàn)重復(fù)了多次，確定了電場(chǎng)

2%。他用的是當(dāng)年最原始的測(cè)電儀器，卻獲得了相當(dāng)可2%。他用的是當(dāng)年最原始的測(cè)電儀器，卻獲得了相當(dāng)可靠而且精確的結(jié)果。該實(shí)驗(yàn)比庫(kù)侖用扭秤測(cè)電場(chǎng)力的實(shí)驗(yàn)早 11年，而且結(jié)果更為精確。該結(jié)果在1744年前就已完成，但直到19世紀(jì)中葉，開(kāi)爾文在卡文迪許的手稿中才發(fā)現(xiàn)，1879年才由麥克斯韋整理發(fā)表，這實(shí)在是科學(xué)史上的一大遺憾。3.庫(kù)侖(Coulomb,1736?1806)的實(shí)驗(yàn)研究法國(guó)物理學(xué)家?guī)靵鲈谘芯奎c(diǎn)電荷之間的相互作用時(shí)，把類比的方法發(fā)揮得淋漓盡致。(1)同種電荷間的相互作用庫(kù)侖早年從事摩擦及扭轉(zhuǎn)的研究， 發(fā)現(xiàn)了金屬絲的扭力定律， 得出了力與扭轉(zhuǎn)角成正比—8的規(guī)律。另外，他還發(fā)明了扭秤，它能測(cè)量極小的力，其精度可達(dá)到 10N。庫(kù)侖就用它來(lái)測(cè)量電荷之間的排斥力與電荷間距離的關(guān)系。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，庫(kù)侖得出結(jié)論： “兩個(gè)帶有同種類型電荷的小球之間的排斥力與這兩小球中心之間距離的平方成反比。1么，他為何不用后2心之間距離的平方成反比。1么，他為何不用后2.04—R”但庫(kù)侖的實(shí)驗(yàn)結(jié)果精確度并不很高，其指數(shù)偏差可達(dá)1或F—96的形式發(fā)表自己的結(jié)論呢？據(jù)史料記載，R.4%。那庫(kù)侖借鑒了萬(wàn)有引力定律，事先有了平方反比的概念，才會(huì)得出這樣的結(jié)論。另外，庫(kù)侖并沒(méi)有進(jìn)行改變電量的實(shí)驗(yàn)，而是說(shuō)：“假說(shuō)的前一部分無(wú)需證明”。顯然他是在模仿萬(wàn)有引力定律，因?yàn)槿f(wàn)有引力是與相互作用的兩物體的質(zhì)量成正比的。(2)異種電荷間的相互作用對(duì)于異種電荷之間引力與電荷間距離的關(guān)系，用扭秤實(shí)驗(yàn)研究遇到了很大的困難。經(jīng)過(guò)不斷探索，庫(kù)侖從力學(xué)的單擺實(shí)驗(yàn)中得到啟發(fā)來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。 在這之前人們已經(jīng)知道，地球上的物體都受到地球引力的作用，引力的大小與物體和地球中心之間距離的平方成反比。若把地球視作一個(gè)質(zhì)量集中在其中心的質(zhì)點(diǎn)， 地球上懸掛的物體繞其懸點(diǎn)作微小擺動(dòng)時(shí)， 其振動(dòng)周期T與物體到地球中心的距離 R成正比，即T-R。庫(kù)侖設(shè)想，如果異種電荷之間的引力也服從平方反比規(guī)律，那么只要設(shè)計(jì)一種電擺就可以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)了。庫(kù)侖通過(guò)改變距離，測(cè)量振動(dòng)周期，得出距離之比為 3:4：8,振動(dòng)周期之比為20:41：60。如果按平方反比規(guī)律，則振動(dòng)周期之比應(yīng)為20：40：54?？紤]到漏電等因素，修正后的實(shí)驗(yàn)值與平方反比規(guī)律得出的值已經(jīng)很接近了。 這里他仍然借鑒了萬(wàn)有引力定律， 最后庫(kù)侖確定不論同種電荷還是異種電荷，它們之間作用力的大小均符合與距離平方成反比的規(guī)律。四、現(xiàn)在的觀點(diǎn)鑒于庫(kù)侖總結(jié)出的平方反比規(guī)律所依據(jù)的實(shí)驗(yàn)精度不高， 而庫(kù)侖定律是電磁學(xué)的基本定律，是否精確地滿足平方反比關(guān)系又至關(guān)重要， 所以從庫(kù)侖定律發(fā)表以后直到現(xiàn)代， 科學(xué)家們用越來(lái)越精確的實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證平方反比規(guī)律，也就是檢驗(yàn)距離 r的方次與“2”之間究竟有多大偏差。1971年的實(shí)驗(yàn)表明，這個(gè)偏差如果有，也不會(huì)大于3義10-16?？梢?jiàn)，庫(kù)侖定律是一個(gè)經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)的精確度極高的物理定律。五、啟示從庫(kù)侖定律的發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)我們可以看到假說(shuō)和類比的方法在科學(xué)研究中所起的重要作用。假說(shuō)是對(duì)自然現(xiàn)象有根據(jù)的推測(cè)，假說(shuō)的不斷修正、補(bǔ)充和更新，會(huì)更多地、更正確地反映客觀現(xiàn)實(shí)的某些方面。因此，它是人們的認(rèn)識(shí)向客觀真理接近的有效方式。類比的方法指通過(guò)活化人們頭腦中儲(chǔ)存的知識(shí)信息，找出一些表面上不相關(guān)聯(lián)的對(duì)象之間共性的方面，這種方法在科學(xué)研究中占有很重要的地位。由此可見(jiàn)