库仑定律所有公式 库伦定理( 三 )


经过这次修正,两者的数值非常接近 。库仑说:“不同电流体之间的作用力,就像相同电流体之间的相互作用一样,与距离的平方成反比 。”利用类似单摆的库仑方法,确定了不同电荷之间的引力也与其距离的平方成反比,这不是由扭转和静电力的平衡得到的 。
在修正了实验中的误差后,库仑通过实验揭示了电相互作用和磁相互作用的过程 。需要指出的是,库仑只测量了距离平方的反比,并正式将静电力和静电力归纳到万有引力范畴 。需要强调的是,库仑并没有具体验证静电力与电量的乘积,以及静磁力与磁荷的乘积是成正比的 。后来,德国物理学家高斯(1777—1855)提出了直接从库仑定律定义电荷测量的思想 。1839年,高斯发表了论文《引力或斥力与距离平方成反比的一般定理》,提出了静电高斯定理 。
平方反比定律的验证
库仑定律是电学发展史上第一个定量定律,是电磁学和电磁场理论的基本定律之一,也是物理学的基本定律之一 。因此,自库仑定律发现以来,科学家们一直没有停止验证公式中R的指数2 。这是一个有待实验检验的问题 。
1971年,美国科学家威廉等人利用高频高压信号、锁相放大器和光纤传输来保证实验条件 。利用现代测试方法,将平方反比定律的指数偏差扩展了几个数量级,指数2的偏差小于10-16,因此完全可以假设指数为2 。事实上,指数2与零光子静止质量mz密切相关,它们可以相互推导 。这是因为现有的理论都是基于mz等于零的前提 。如果mz不为零,即使这个值很小,也会动摇物理大厦的基石 。比如真空出现弥散;光速可以改变;电荷不守恒等 。
到目前为止,理论和实验表明点电荷力的平方反比定律是非常精确的 。例如,著名的α粒子散射实验和地球物理实验表明,库仑定律在10-11米至107米的尺度范围内是可靠的 。
库仑科学家在这一领域的后续研究工作主要是提高了指数n的准确性,虽然这些工作也很重要,但就重要性而言,很难与库仑的工作相比 。所以我们称电平方反比定律为库仑定律,电量的单位以库仑命名 。
两个灵感
首先是类比的应用 。类比是科学研究中一种重要的思维方法,被誉为科学活动中的“伟大向导” 。物理学史上许多重要的发现和发明往往源于类比 。当进入新的科学问题时,类比推理可以通过联系新旧科学问题之间的相似性来帮助取得重大突破 。通过梳理库仑定律的建立过程,可以看出类比法在物理研究中的重要性 。将万有引力平方反比定律类比到电力新领域,使库仑定律从一开始就走上了正确的道路(没有走弯路) 。总之,如果没有先找到万有引力定律,如果没有依靠类比法,仅仅依靠具体实验数据的积累和分析,我们仍然需要付出很大的努力,走很长的路,才能得到严格意义上的库仑定律的表达式 。
不用说,类比也是一把双刃剑 。类比推理虽然有创造性,但不可靠 。伟大的德国哲学家黑格尔曾精辟地评论说,类比可能是肤浅的,也可能是深刻的 。自然过程很不一样,一直在发展变化 。况且人的认知能力是受时代限制的 。因此,毫无疑问,有些类比往往具有暂时的过渡性质,它们无非是充当物理学发展中的“药物介绍”或“催化剂” 。因为,确切地说,一些完全新的东西无法用熟悉的术语来解释 。因此,物理学家在引入物理概念或借助类比建立新的物理定律后,不应局限于原来类比的“一亩三分地”,也不应把类比得出的所有推论都视为绝对正确 。类比只是物理学家搭建物理大厦的脚手架 。物理大楼一旦建成,脚手架就需要拆除 。
第二,理论和实验相辅相成,如同汽车的两个轮子 。物理学是一门自然科学,其研究始终着眼于探索物质世界及其运动的规律 。物理学是一门以实验为基础的科学,物理学的概念、定律、公式都是以实验为基础的 。库仑定律不仅是一个实验定律,也是电、磁万有引力定律的“推论” 。如果说库仑定律是一个实验定律,那么库仑扭转平衡实验起着重要的作用 。即便如此,库仑还是借鉴了牛顿的万有引力理论,模拟了万有引力的大小与两个物体质量之间的关系,并且“理所当然地”认为两个电荷之间的力也与两个电荷的电量成正比 。没有这个前提,实验就无法进行,因为当时电量的测量还没有建立 。
库仑等科学家根据实验数据无法确定平方反比关系,但略多于2 。回顾库仑定律的发现过程,我们可以看到,如果科学家没有受到万有引力定律理论的启发,如果他们没有把实验结果中的平方修正项视为实验误差,然后删除,那么他们就不会这么快建立库仑定律 。诺贝尔奖获得者李政道提出了“物理学家定律”,准确概括了理论与实验的关系:“没有实验者,理论家就会迷失方向;没有理论家,实验者会犹豫 。”说白了,就是靠实验和理论的配合和相互鼓励,物理学才能建造出宏伟的建筑 。

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