库仑定律的确立_验证及其理论地位

1、第24卷第4期西华师范大学学报(自然科学版2003年12月V ol124N o14Journal of China West N ormal University(Natural SciencesDec12003文章编号:100128220(20030420467204库仑定律的确立、验证及其理论地位王小林(成都师范高等专科学校物理系,四川彭州611930摘要:库仑定律、安培定律和法拉第电磁感应定律是电磁学三大基本实验定律,这三个定律的建立标志着人类对于电磁现象的认识发展到了新阶段.库仑定律是整个电磁场理论的基础,它确保了作为经典电磁场理论总结的麦克斯韦方程组的精度,从而实际上也确保了安培定律

2、和法拉第电磁感应定律的精度.本文对库仑定律确立的历史概况、实验验证、适用范围与成立条件及其理论地位作了全面的介绍.关键词:库仑定律;实验验证;理论地位中图分类号:O44111文献标识码:B库仑定律不仅是电磁学的基本定律,也是物理学的基本定律之一.库仑定律阐明了带电体相互作用的规律,决定了静电场的性质,也为整个电磁学奠定了基础.在对电磁相互作用本质的探索中,提出了力线和场的概念,确立了近距作用观念,结束了以质点运动和超距作用为基础的机械观点在物理学中的统治地位.库仑定律又是物理学中最精确的基本定律之一.200多年以来,人类为提高电力平方反比律精度的努力经久不衰,其原因还在于电力平方反比律直接与光

3、子静止质量m z是否为零有关,如有偏差,将导致m z0,就会动摇物理学大厦的重要基石,例如,出现真空色散、光速可变、电荷不守恒等等.因此,从各个角度考察库仑定律,充分提高对它的认识,非常有必要.1库仑定律确立的历史概况库仑定律是关于两个静止点电荷相互作用力的规律,它指出,两个静止点电荷之间的作用力与点电荷电量的乘积成正比,与点电荷之间距离的平方成反比.后者又作为电力平方反比律.事实上无论是库仑定律还是其他物理学确立的电荷相互作用力规律都只涉及电力平方反比律,并未涉及电力与电量的关系,因为电力与电量的关系与电量的定义有关.最早提出电力平方反比律的是普里斯特列(J.Priestley,173318

4、04.普里斯特列的好友,著名的电学家富兰克林(B.Franklin,17061790曾观察到放在金属杯中的软木小球完全不受金属杯上电荷的影响.他把他观察到的现象写信告诉普里斯特列,希望他重做此实验,并确认这一事实.1766年普里斯特列做了实验,他使金属空腔容器带电,发现其内表面没有电荷,而且金属容器对于放在其内部的电荷明显地没有作用力.他立刻想到这一现象与万有引力情形非常相似,即放在均匀物质球壳内的物质不会受到来自壳体本身物质的作用力.因此,他猜测电力与万有引力有相同的规律,两个电荷间的作用力应与它们之间距离的平方成反比.这是一项很重要的类比猜测,但是,这一猜测在当时并未引起科学家们的重视,而

5、普里斯特列本人对此猜测能否严格地予以证明又缺乏信心,这一发现就被搁置起来了.1769年爱丁堡的鲁宾逊(J.R obins on,17391805首先用直接测量的方法确定电力的定律,他得到两个同号电荷的斥力与距离的2.06次方成反比.而两个异号电荷的吸引力比平方反比的方次要小些,他推断正确的电力定律是平方反比律.他的研究结果在1801年发表才为人所知.1772年英国著名物理学家卡文迪许(H.Cavendish,17311810遵循普里斯特列的思想以实验验证电力平方反比律.如果实验测定带电的空腔导体的内表面确实没有电荷,就可以确定电力遵从平方反比律.卡文收稿日期:2003-08-20作者简介:王小

6、林(1960-,男,四川大邑人,成都师范高等专科学校物理系副教授,主要从事大学物理教学与研究工作.迪许实验得出的定量结果与13年后(1785年库仑(A.C oulomb ,17361806用扭秤直接测量所得结果的精度相当.然而,卡文迪许实验是精确验证电力平方反比律的开创性工作,在他以后200年来,这个实验不断重复和改进,精度大大提高.卡文迪许是个性情孤僻、专心致志于学术研究而不计功名的科学家,他的许多研究成果都没有发表,100年后麦克斯韦(C 1Max well ,18311879整理他的大量手稿时才将上述结果公诸于世.最著名的是法国物理学家库仑的工作.库仑曾从事毛发和金属丝扭转弹性的研究,这

7、导致他在1777年发明了后来被称为库仑秤的扭转天平或扭秤.1784年库仑发表论文,介绍他发现的扭转力与线材直径、长度、扭转角度以及线材物理特性有关的常数之间的关系,还介绍了用扭秤测量各种弱力的方法.同年,库仑响应法国科学院有赏征集研究船用罗盘,他的科学生活开始从工程、建筑转向电、磁研究.1785年库仑设计制作了一台精确的扭秤,用扭秤实验证明同号电荷的斥力遵从平方反比律,用振荡法证明异号电荷的吸引力也遵从平方反比律.他的实验误差偏差平方为410-2.库仑的工作得到了普遍的承认,并以他的名字来命名电力定律.2电力平方反比律的实验验证虽然库仑设计的扭秤实验非常精巧,实验技术也很高超,但是难以直接准确

8、测量力和距离,其精度不高是显然的.电力平方反比律的精确实验验证有赖于带电金属空腔内表面不存在电荷分布的事实.1874年,剑桥大学接受卡文迪许后裔的捐赠成立卡文迪许实验室,条件之一是整理卡文迪许的手稿.麦克斯韦被委任为实验室的第一任主任,他承担了整理卡文迪许手稿的重任,于1879年交付出版.麦克斯韦从卡文迪许关于电力平方反比律的实验中看出其重要性,它可提供电力平方反比律的精确验证.麦克斯韦不仅严格地从理论上导出了确定电力偏离平方反比律的公式,而且还自己做实验确定电力偏离平方反比律的程度.他的理论成为近代精确验证电力平方反比律的依据,他的实验比起卡文迪许的实验在精度上提高了3个数量级,成为精确验证

9、电力平方反比律的先声.这反映麦克斯韦对精确验证电力平方反比律极为重视.从麦克斯韦等人开始验证电力平方反比律,一直到今天还不断有人在做这方面的工作1,他们的实验结果列于表1中.表1验证电力平方反比律实验结果T able 1The experimental result of vertifying the square electron inverse ratio law年代实验者偏离平方反比的偏差1769R obins on 610-21773Cavendish 210-21785C oulomb 410-21873Max well 4.910-51936Plim pton 和Lawton 2.

10、010-91968C ochran 和Franken 9.210-121970Bartlett 等人1.310-131971Willian 等人(2.73.110-16可见,200年来电力平方反比律的精度提高了十几个数量级,使它成为当今物理学中最精确的实验定律之一.这种精确检验是有重要意义的.我们知道,作为经典电磁场理论总结的麦克斯韦方程组是在库仑定律、安培定律和法拉第电磁感应定律的基础上建立的,与库仑定律不同,后两个定律难以直接从实验检验,其精度不明,然而从库仑定律和洛仑兹变换也同样可以得出麦克斯韦方程组2,这不仅表明库仑定律是整个电磁场理论的基础,而且它确保了麦克斯韦方程组的精度,从而也实

11、际上确保了安培定律和法拉第电磁感应定律的精度.3库仑定律的适用条件对于库仑定律的适用范围,包括著名的卢瑟福(E.Rutherford ,1871-1937粒子散射实验以及地球物理468西华师范大学学报(自然科学版2003年实验在内的大量实验表明,库仑定律在10-13-109cm 的尺度范围内是可靠的.库仑定律的成立条件是静止点电荷.静止是指两点电荷相对静止,且相对于观察者静止(均在惯性系中.库仑定律可以推广到静止源电荷对运动电荷的作用,但不能推广到运动源电荷对静止或运动电荷的作用,因为有推迟效应3,同时还表明运动电荷的相互作用违反牛顿第三定律(尽管速度不大时差别很小,但正是这里体现了近距作用.

12、牛顿第三定律本身只适用于相互接触的物体.对于不接触的运动物体间的相互作用(如电磁力、引力,如果是瞬时的无需媒介的超距作用,牛顿第三定律适用,否则失效,但动量守恒定律仍成立,只是需要计及场的动量.在某一惯性系为静止的两点电荷,在另一惯性系是运动的,前者只是静电作用,后者则有电和磁的相互作用,这正是表明电磁相互作用的统一性.库仑定律与其他物质无关.一些教科书在叙述库仑定律时,常常说是真空中两个点电荷间的相互作用力,这样说是为了不考虑其他电荷的影响.实际上,有其他物质存在时库仑定律仍然成立,库仑定律与其他物质是否存在无关.但是,在有其他物质存在时,这些物质会受到原来两个电荷的电场的作用,从而产生极化

13、电荷或感应电荷,因此,原来两个电荷中的每一个,都要受到这些极化电荷或感应电荷的影响,这时它们所受的作用力就比较复杂了.带同种电荷的物体也可能互相吸引.有的教科书在介绍库仑定律时说:“带同号电荷的物体互相排斥;带异号电荷的物体则互相吸引.”4事实上,物体互相排斥或吸引,不仅决定了它们所带的电荷之间的相互作用力,还决定了它们之间的万有引力和磁力;地面上一般物体之间的万有引力由于太小,可以略去不计,但磁力则有时很强,不能略去,例如矫顽力很高的永磁铁,它们之间磁的相互作用力可以远远超过它们所带电荷之间的相互作用力.即使是仅考虑物体所带电荷之间的相互作用力,带同种电荷的物体也可能互相吸引5.4电力平方反

14、比律和光子静止质量平方反比律与光子的静止质量m z 是否为零有密切的关系.m z 是有限的非零值或是零,有本质的区别,并且会给物理学带来一系列原则问题.现有的理论以m z =0为前提.如果m z 0,则电动力学的规范不变性被破坏,使电动力学一些基本性质失去依据;电荷将不守恒;光子偏振态不再是2而是3,这将影响光学;黑体辐射公式要修改;会出现真空色散(不同频率光波在真空传播速度不同,破坏光速不变,等等.近代观点认为6,各种相互作用都是某种粒子的交换引起的,光子就是电磁相互作用的体现者,如果m z 0,则电磁力为非长程力,电力平方反比律应有偏差;反之,m z =0则=0,因此m z 与有关.193

15、0年,普罗卡指出,如果m z 0,静电场的泊松方程应修改为( 2-2 =-4,=m z c/ ,普罗卡方程的解的形式为 (1/r e -r (汤川势,多了一个指数因子,由E 及E 1/r 2+r 即可找出与(即m z 的关系.利用1971年的结果,310-16,得出m Z 210-47g.由于m z 是否严格为零的重要性,不断用各种方法(包括天体物理方法测量m z 的上限.迄今为止最强的限制是用天体物理的磁压法得出的,为m z 10-60g ,与其他已知粒子相比(如电子的m z 10-21g 是很小的.在很多问题中可以忽略,但是否严格为零仍引起普通的关注.5库仑定律的理论地位库仑定律是静电学基

16、础.静电学研究带电体的相互作用和静电场的性质.前者由库仑定律及迭加原理所解决;后者由库仑定律证明高斯定理和环路定律表明静电场为有源无旋场.历史上,在库仑定律、安培定律和法拉第电磁感应定律的基础上,麦克斯韦提出涡旋电场和位移电流假设,揭示了电磁场的内在联系,得到了电磁场运动变化所遵从的规律麦克斯韦方程组.但这并不是得出麦克斯韦方程组的唯一途径,由库仑定律和洛仑兹变换也可得出麦克斯韦方程组.这表明,从静止电荷的静电场可以得到运动电荷的电磁场,狭义相对论真正统一了电磁现象.同时也表明库仑定律是整个经典电磁理论的基础,它确保了麦克斯韦方程组的精度和适用范围.在对电磁相互作用本质的探索中,法拉第根据库仑

17、定律等的结果,提出力线和场的概念,确立了近距作第24卷第4期王小林:库仑定律的确立、验证及其理论地位469用观,这是物理学发展史上的重大进展.此外,正是在摒弃“以太”作为电磁作用媒介的过程中,建立了狭义相对论.由此可见,应该从各个方面、从各种联系中、从历史发展中认识库仑定律的重要地位.库仑定律不仅是电磁学的基本定律,也是物理学的基本定律之一.参考文献:1郭奕玲.库仑定律的实验验证J .物理,1981,10(12:761.2陈熙谋,舒幼生.建立麦克斯韦方程组的其他途径J .大学物理,1984,3(2:18.3胡宁.电动力学M.北京:人民教育出版社,1963.75.4福里斯.普通物理学(第二卷第一

18、分册M.北京:人民教育出版社,1979.3.5杰克逊.经典电动力学(上册M.上海:复旦大学出版社,1979.65.6张元仲.狭义相对论的实验基础M.北京:科学出版社,1979.152-160.Form ation and V erification of Coulomb s La wand Its Position in TheoryWANG X iao 2ling(Department of Physics ,Chengdu T eachers C ollege ,Pengzhou 611930,China Abstract :The formation of the three basic experimental law -the C oulomb s Law ,the Am pere s Law and the law of Farada