库仑定律的发现和验证.doc

§ 库仑定律的发现和验证
库仑定律是电磁学的基本定律之一。它的建立既是实验经验的总结,也是理论研究的成果。特别是力学中引力理论的发展,为静电学和静磁学提供了理论武器,使电磁学少走了许多弯路,直接形成了严密的定量规律。从库仑定律的发现可以获得许多启示,对阐明物理学发展中理论和实验的关系,了解物理学的研究方法均会有所裨益。
从万有引力得到的启示
18世纪中叶,牛顿力学已经取得辉煌胜利,人们借助于万有引力的规律,对电力和磁力作了种种猜测。
德国柏林科学院院士爱皮努斯(,1724—1802)1759年对电力作了研究。他在书中假设电荷之间的斥力和吸力随带电物体的距离的减少而增大,于是对静电感应现象作出了更完善的解释。不过,他并没有实际测量电荷间的作用力,因而只是一种猜测。
1760年,,服从平方反比定律。他的想法显然有一定的代表性,因为平方反比定律在牛顿的形而上学自然观中是很自然的观念,如果不是平方反比,牛顿力学的空间概念就要重新修改自然现象中许多过程都服从平方反比关系,例如:光的照度、水向四面八方喷洒、均匀固体中热的传导等无不以平方反比变化,这从几何关系就可以得到证明。因为同一光通量、水量、热量等等,通过同样的球面,球面的面积与半径的平方成正比(即S=πr2),所以,强度与半径的平方成正比。如果在传播过程中有干扰的媒质,例如有一透镜置于光路中,就会使光的分布发生畴变,这就出现各向异性。所以,平方反比定律假定的基础是空间的均匀性和各向同性。
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富兰克林的空罐实验(也叫冰桶实验)对电力规律有重要启示。 1755年,他在给兰宁(John Lining)的信中,提到过这样的实验:
“我把一只品脱银罐放在电支架(按:即绝缘支架)上,使它带电,用丝线吊着一个直径约为1英寸的木椭球,放进银罐中,直到触及罐的底部,但是,当取出时,却没有发现接触使它带电, 像从外部接触的那样。”Goodman,,Oxford,1931,.
富兰克林的这封信不久跟其他有关天电和尖端放电等问题的信件,被人们整理公开发表流传甚广,很多人都知道这个空罐实验,不过也和富兰克林一样,不知如何解释这一实验现象。富兰克林有一位英国友人,名叫普利斯特利(Joseph Priest-ley,1733—1804),是化学家,对电学也很有研究。富兰克林写信告诉他这个实验并向他求教。普利斯特利专门重复了这个实验,在 1767年的《电学历史和现状及其原始实验》一书中他写道:
“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。”转引自:,Makers of Science:Electricity and ism,Oxford,1927, .
普利斯特利的这一结论不是凭空想出来的,因为牛顿早在1687年就证明过,如果万有引力服从平方反比定律,则均匀的物质球壳对壳内物体应无作用。他在《自然哲学的数学原理》第一篇第十二章《球体的吸力》一开头提出的命题,内容是:“设对球面上每个点都有相等的向心力,随距离的平方减小,