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[转载]静电力常量究竟是谁测得的?

(2016-04-28 16:46:06)
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分类: 物理教研

摘要:“在库仑那个年代,还不知道怎样测量物体所带的电荷量,甚至连电荷量的单位都没有.”那么,静电力常量k究竟是由谁何时得出的呢?教材与众多教辅书究竟谁出错了?1787年库仑得出了库仑定律,但是库仑并没有改变电量进行测量,而是说“假说前一部分(电力分别与相互作用的两个电荷量成正比)无需证明”.但在长度、电荷量的单位没有确定之前,根本无法测算出k值.1889年第1届国际计量大会批准国际米原器(铂铱米尺)的长度为1米,即长度的国际单位米被定义和使用.1881年第1届国际电学大会确定库仑(C)为电荷量的国际单位.至此可以计算出静电力常量k=9.0×109Nm2/C2.

一、提出问题:静电力常量k究竟是不是由库仑得出

     教学中,经常遇到有关法国学者库仑(C.A.Coulomb,1736-1806)、库仑定律和静电力常量的问题。《中学物理教学参考》Vol.45 No.5 Mar.2014曾湖贤老师的《法拉第电磁感应定律是由谁总结得出》中引用了这样一道试题:

许多科学家在物理学发展过程中做出了重要贡献,下列叙述中符合物理学史的是(    

A.牛顿提出了万有引力定律,还通过实验测出了万有引力常量

B.奥斯特发现了电流的磁效应,法拉第通过实验总结得出了电磁感应定律

C.库仑发现了电荷之间的相互作用规律---库仑定律,并利用扭秤实验测出了静电力常量k

D.哥白尼提出了日心说并发现了行星沿椭圆轨道运行的规律

曾湖贤老师给出的参考答案为C.

    在 《中学教材全解 高中物理 选修3-1》学案版(薛金星 主编 2014年3月第3次印刷)第8页,在对库仑定律表达式的理解中也写道:在国际单位制中,电荷量的单位是库仑(C),力的单位是牛顿(N),距离的单位是米(m),k是静电力常量,是库仑通过实验装置库仑扭秤测出的,结果是k=9.0×109Nm2/C2.其他众多教辅资料的认识也与此相同.即认为,库仑得出[转载]静电力常量究竟是谁测得的?,并且库仑由实验测出F、q1、q2、r,带入之后,得出k=9.0×109Nm2/C2.但是在普通高中课程标准实验教科书选修3 1 人教版2 4 5 月第36 版)第6页写道:“在库仑那个年代,还不知道怎样测量物体所带的电荷量,甚至连电荷量的单位都没有.”那么,静电力常量k究竟是由谁何时得出的呢?教材与众多教辅书究竟谁出错了?

    笔者认真学习教材并查阅了相关资料,得出静电力常量并非库仑得出的结论.

二、物理学史回顾

    1、库仑与库仑定律    

    1773年法国科学院悬赏征求改进船用指南针的方案。库仑当时正在研究静磁力

把磁针的支托改为用头发丝或蚕丝悬挂,以消除摩擦引起的误差,这个巧妙的改进使他

获得1777年法国科学院的头等奖。接着他研究了金属丝的扭力,于1784年提出了金属

的扭力定律。这二成果具有极为重要的意义,它给出了一种新的测量极小力的方法。也就

1784年他设计出一种新型测力仪器──扭秤.1785年,库仑用他本人发明的电扭秤得出

了库仑定律.带电球相互接触,使电荷均分,两球带同性电互相排斥,然后借助银扭丝恢复

两球到原始位置,从银扭丝的转角测知电力的大小,即库仑扭秤实验.于是,库仑得出了“带

同号电的两球之间的斥力,与两球中心之间距离的平方成反比”的结论.1787年库仑又进

一步指出了电扭秤方法的欠缺:由于不稳定平衡,测量异性电荷的吸引力时实验会遇到困

难.同时还设计了第二种测量方法———电摆实验,其原理与万有引力作用下的单摆实验

相似.地面上单摆周期为[转载]静电力常量究竟是谁测得的?,如果电引力也遵从平方反比规律,则他设计的电摆

周期也应与两电荷距离成正比.库仑的实验数据通过修正,与理论值基本符合.于是他得出

结论,“正电与负电的相互吸引力也与距离的平方成反比”.库仑定由此为世人所知,即:

真空中两个静止点电荷之间的相互作用力,与它们的电荷量的乘积成正比,与它们的距离

的二次方成反比,作用力的方向在它们的连线上。用一个公式来表示库仑定律就是

[转载]静电力常量究竟是谁测得的?.但是库仑并没有改变电量进行测量,而是说“假说的前一部分无需证明”,他

是在模仿万有引力定律,认为电力分别与相互作用的两个电荷量成正比,就如同万有引力

分别与相互作用的两个物体的质量成正比一样.幸运的是,库仑的想法是正确的.

   2、电荷量和长度国际单位的定义:

       1687年,英国物理学家牛顿在他的《自然哲学的数学原理》中,定义了作用和力以及运动等概念,这些概念和定义沿用至今.但是当时并没有给出这些概念的国际单位. 最早是在1791年法国国民议会上通过建立以“米”为基础的长度计量单位.米制单位是十进位的,而且有比较科学的、能以较高精度复现的基准器。由于它有这些优点,逐渐为其他国家所接受。1889年第1届国际计量大会批准国际米原器(铂铱米尺)的长度为1米,即长度的国际单位米被定义和使用.

       美国物理学家密立根(1868-1953)在1907-1913年,通过著名的油滴实验精确地测定了基本电荷,得到电子电荷的数值为e=(4.774±0.009)×10-10esu,该实验证明

   电荷是量子化的,自然界存在基本电荷.密立根当时用的电量单位是esu(electrostatic unit),esu那个时代所用的静电单位.这个单位是高斯单位制里电量的单位.电荷量度的思想,最早是由德国的数学家和物理学家高斯(C.F.Gauss,1777—1855)提出的。1839年,高斯在他的著作《与距离平方成反比的吸引力和推斥力的普遍理论》中,为电量确定了一个单位,按照高斯的定义,两个相同电量的电荷相距1厘米时,若相互间的静电斥力为1达因,则每一电荷的电量定义为1静电制电量单位,简称1“静库”。高斯还创造了磁体磁矩的量度以及磁场强度的量度,从而建立了第一个合理的电磁学单位制——高斯制,它是以毫米、毫克和秒为基础的“绝对”电学单位制。在高斯单位制中,上述库仑定律中的系数k=1.

       1881年第1届国际电学大会确定库仑(C)为电荷量的国际单位,定义为1安恒定电流在1秒时间间隔内所传送的电荷量为1库仑,即1库仑=1安·秒,也就是库仑的现定义. 高斯单位制和国际单位制中电量的换算关系为1C=2.9979×109(esu).至此,国际单位制中k=9.0×109Nm2/C2的数值才得以计算确定.

三、几点认识和建议

1、库仑定律是库仑通过实验和运用类比的思想得出的,库仑并没有改变电荷量进行测量.

教材中对库仑扭秤的介绍,既包含探究了库仑力与电荷间距离的关系,也通过相同小

球接触平分电量的方法探究了库仑力与电荷量的关系.教材这种处理可能是为了体现实验的完整性和严密的探究性,让学生学习到科学的解决问题的方法.其实,通过查阅资料,库仑并没有改变电荷量去测量,而是通过类比万有引力定律的方法,直接给出与电荷量成正比的结论.类比的方法也是重要的物理思想方法,教材写出真实的库仑定律的发现过程,照样可以让学生感受物理方法的力量,不必为了教育而含糊处理.

2、但是静电力常量k并不是库仑得出的,教材可以明确写明.

    库仑利用扭秤实验,总结得出了库仑定律.但是在库仑那个年代,没有电荷量的单位,更无法测量物体所带的电荷量,这一点教材的说明是准确的.在笔者考证的物理学史资料中,在库仑逝世近30多年后,高斯单位制中出现电荷量的单位,即esu静电单位.1881年才开始使用库仑(C)为电荷量的单位.所以静电力常量k,不是由库仑得出的,从这一点来看,可以说静电力常量k是高斯得出的.为解决教学中的师生困惑,建议教材将这一结论明确写明,可以在教材节后的科学漫步中进行介绍.

     3、高中物理教辅类书籍应该进行必要的完善.

    教辅类书籍在教学中有着重要的作用,书籍中知识应务必做到准确规范,以便能在教学中起到正确的辅助作用.作为编者不应对教材中未写明的内容进行随意改编,而应该本着事实就是的精神,考究其是否规范和准确,不然不仅起不到辅助作用,却会误导学生,妨碍正确内容的接受和理解.

    以上为个人观点,不当之处,敬请指教!

参考文献:

[1] 人民教育出版社课程教材研究所.普通高中课程标准实验教科书物理选修3-1[M].北京:人民教育出版社2014.5.第6页

[2] 中学教材全解:学案版:人教实验版.高中物理.3-1:选修/薛金星主编.-西安:陕西人民教育出版社,2012.1.第8页

[3]物理学史/郭奕玲,沈慧君编著.-2版.-北京:清华大学出版社,2005.8(2008重印).

   第96页、97页、98页 

[4] 中国大百科全书 .物理学/周光照主编.-北京:中国大百科全书出版社,2009.7 .第292页

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