电磁学论文Word文档格式.docx
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一个物理定律建立的一般过程大致为：
观察现象提出问题猜测答案设计实验测量验证归纳寻求关系，发现规律形成定理，定律（常常需要引进新的物理量或模型，找出新的内容，正确表述）考察成立条件，适用范围，精度，理论地位及现代含义等。
一．人类对电现象的探索过程及库仑定律的发现历程及从中得到的启示
人类对电现象的认识、研究，经历了很长的时间。
但是直到16世纪英国伊丽莎白的御医吉尔伯特出版了《磁石论》，人们才对电的现象有了深入的认识。
但是吉尔伯特的工作仍停留在定性的阶段，进展不大。
到了18世纪，人们借助于万有引力定律，对电学现象做了种种猜测，电学获得了突飞猛进的发展。
富兰克林的空罐实验（也叫冰桶实验）首先发现金属杯内的软木小球完全不杯上电荷的影响，在富兰克林的建议下，普利斯特利也做了相同实验，并猜测电的相互作用形式与引力相同。
他当时这么写道：
“难道我们就不可以从这个实验得出结论：
电的吸引与万有引力服从同一定律，即距离的平方，因为很容易证明，假如地球是一个球壳，在壳内的物体受到一边的吸引作用，决不会大于另一边的吸引。
”
不过，普利斯特利的结论并没有得到科学界的普遍重视，因为他并没有特别明确地进行论证，仍然停留在猜测的阶段，一直拖了18年，才由库仑正式提出。
实际上在库仑定律正式提出之前就已经有两个人对静电力作过定量的实验研究，并得到了明确的结论。
可惜，都因没有及时发表而未对科学的发展起到应有的推动作用。
一位是英国爱丁堡大学的罗宾逊，认为电力服从平方反比律，并且得到指数n=2.06，不过，他的这项工作直到1801年才发表。
另一位是英国的卡文迪许。
1772～1773年间，他做了双层同心球实验，第一次精确测量出电作用力与距离的关系。
发现带电导体的电荷全部分布在表面而内部不带电。
卡文迪许进一步分析，得到n=2.02。
他的这个同心球实验结果在当时的条件下是相当精确的。
但可惜的是他一直没有公开发表这一结果。
库仑是法国工程师和物理学家。
1785年,库仑用扭称实验测量两同种电荷之间的作用力与两同种电荷之间距离的关系。
他通过实验得出:
“两个带有同种类型电荷的小球之间的排斥力与这两球中心之间的距离平方成反比。
”同年，他在《电力定律》的论文中介绍了他的实验装置，测试经过和实验结果。
库仑的扭秤实验巧妙地利用了对称性原理按实验的需要对电量进行了改变。
库仑让这个可移动球和固定的球带上同量的同种电荷，并改变它们之间的距离。
通过实验数据可知，斥力的大小与距离的平方成反比。
但是对于异种电荷之间的引力，用扭称来测量就遇到了麻烦。
经过反复的思考，库仑借鉴动力学实验加以解决。
库仑设想：
如果异种电荷之间的引力也是与它们之间的距离平方成反比，那么只要设计出一种电引力单摆就可进行实验。
通过电引力单摆实验，库仑认为：
“异性电流体之间的作用力，与同性电流体的相互作用一样，都与距离的平方成反比。
”库仑利用与单摆相类似的方法测定了异种电荷之间的引力也与它们的距离的平方成反比，不是通过扭力与静电力的平衡得到的。
可见库仑在确定电荷之间相互作用力与距离的关系时使用了两种方法，对于同性电荷，使用的是静电力学的方法；
对于异性电荷使用的是动力学的方法。
但不管是哪种方法，库仑应用了物理学上很重要的一种方法—类比
关于类比方法对科学研究的意义下面将用几张图片来说明:
虽然类比方法在科学研究中固然重要，但是一些类比往往带着暂时的过度性质，它们在科学学的发展中只是充当“药引子”或者“催化剂”的作用。
因此我们借助于类比而引进新概念或建立新定律后，不应当局限于原先的类比，不能把类比所得到的一切推论都看成是绝对正确的东西，而应该用发展的眼光去看待问题。
二．库仑定律的成立条件
关于库仑定律的成立条件，虽然不同的书上说法不一，但总的说来大致有三条，即1）电荷是点电荷；
2）电荷在真空中；
3）电荷处于静止状态。
下面，我们将逐条分析。
对于条件1，因为用库仑定律计算两电荷之间的作用力要用到距离，而只有在两个点电荷之间，距离的定义才有完全确定的意义。
但是实际上是不存在点电荷的，那么岂不是库仑定律完全没有意义？
答案当然是否定的，从微积分的观点看，任何连续分布的带电体都可看成无限多个点电荷元的集合，再利用叠加原理，就可求出非点电荷情况下的两带电体之间的电场力。
所以，从上述分析可知，条件1是库仑定律的成立条件，但却不是限制库仑定律使用的条件。
从某种观点上可以说条件2是多余的，因为只要是两个点电荷，不管它们是在真空、导体还是介质中，相互作用力都会遵从库仑定律。
在有其他物质存在时，这些物质会受到原来两电荷的电场作用，从而产生感应电荷或极化电荷．因此，原来两个电荷中的每一个，都要受到这些感应电荷或极化电荷的影响，如果我们这时把这些“直接作用”与“间接作用”综合起来，就可以发现它们所受的作用力形式只不过多了一些常数而已，可以用一个简单的例子能加以说明：
我们知道在均匀无限大介质（
）中，两个点电荷之间的作用力是真空中的
倍，即
（1）
从形式上看，
（1）式似乎就是库仑定律在介质中不成立的佐证。
但是如果我们换种想法去思考这个问题的话，情况会怎么样呢？
我们清楚，两个点电荷的存在还要使介质产生相应的极化电荷。
如图所示，根据叠加原理，点电荷
要受到三种电荷的作用力，极化电荷
均匀地包围着
，由对称性可知，其对
的作用力为零，极化电荷
可看作位置与
相同的点电荷，故根据库仑定律，极化电荷
与
对
的作用力为：
（2）
由电磁学理论可以证明，
和
的关系满足下式：
（3）
将（3）式代入
（2）式可得：
（4）
可见，（4）式与
（1）式完全相同。
因此，只要我们把介质中的极化电荷与自由电荷同等看待，它们彼此间的作用力都会遵从库仑定律，因而没有必要强调一定要在真空中库仑定律才成立。
条件3即电荷处于静止状态，也可以适当放宽限制，不必要两个点电荷都相对于观察者静止，只要源电荷（施力电荷）保持静止就可以，受力电荷可以是静止的，也可以做任意运动。
道理很简单，静止电荷在空间激发的电场是不随时间变化的，仅是空间的函数，运动电荷所受到的由静止电荷所激发的电场力只与两电荷的相对位置和它们本身的电量有关，即遵从库仑定律。
反之，静止电荷所受到的由运动电荷激发的电场力，由狭义相对论电动力学可知，这个力不但与两个电荷的相对位置和电量有关，而且还与运动电荷的速度有关，即它们之间的作用不再遵从库仑定律。
如图所示，设点电荷
以速度v匀速向右运动，点电荷
静止不动，则由上述观点，
作用在
上的力为：
（6）
即遵从库仑定律．但反过来，
上的力却不遵从库仑定律．根据电动力学理论，
在
处激发的电场强度为：
（7）
式中c是真空中的光速。
因此，按
计算，
上的力便为：
（8）
从（8）式可知，
上的力已不再遵从库仑定律；
只有当
时，（8）式才退化为真空中的库仑定律。
三.库仑定律的验证过程
库仑定律不仅是静电学的基础，也是整个电磁理论的基础之一，由库仑定律可以推出静电场方程乃至整个麦克斯韦方程组。
而且其在近代物理理论中也具有重要的意义，它隐含着光子的静电质量为零的结论。
如果库仑定律不满足平方反比例关系，则会动摇电磁理论的基础；
如果平方反比例关系不成立，光子的静质量将不为零，现有理论都是以光子静质量为零为基础的。
如果光子静质量不为零，
则：
电动力学的规范不变性被破坏
电荷将不守恒
光子偏振态要发生变化
黑体辐射公式要修改
会出现真空色散，即不同频率的光波在真空中的传播速度不同，从而破坏光速不变
……
可见后果是十分严重的，所以科学家们都库仑定律的指数偏差十分感兴趣，不停地从事实验进行验证。
下面将用一个表格来说明这个验证过程。
迄今为止，光子究竟有没有静质量，尚无定论。
应该指出，要从实验判断光子严格没有静质量是不可能的，因为任何测量都有其不确定度，无法得出绝对等于零的结果。
但是，随着测量精度的提高和探索范围的延伸，我们可以不断推进这个结果，把光子静质量的上限尽可能地减少到最低限度。
究竟在哪个量级上光子会出现静质量，这一切都需要我们的共同努力。
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14.伯克利物理学教程（第二卷·
电磁学）（PDf版）
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