第一章 电磁学基存实验定律的建立 §1.概 述 物理定律是在观察和实验基础上发现的实验规律.各种物理定律从各自不 同的角度和侧面揭示了事物的本质、规律和内在联系.物理定律是物理理论赖 以建立的基础，也是检验各种物理理论是非真伪的标准，.因此，物理定律的建 立是有关研究领域获得重要进展的标志.在物理教学中，物理定律的阐述理所 当然地占据着重要地位，电磁学当然也不例外. 物理定律具有丰富、深刻的内涵和外延.一般说来，从观察现象、提出问 题、猜测结果、设计实验并测量、得出定律的主要关系，到定义新物理量、确 定定律内容、给出定量公式，进一步判定定律的成立条件、适用范围、精度， 乃至最终阐明定律的物理含义、理论地位、以及定律的近代发展，等等，需要 经过漫长曲折的历史过程，涉及广泛的知识和背景材料.应该说，只有通过上 述考察才能真正理解和全面把握物理定律丰富深刻的内涵和外延.在物理教学 中，如果只着眼于物理定律的结论，在作了一些简单的解释后，便把注意力引 向解题计算，那就无法理解物理定律是怎样建立的，关键的突破是怎样实现 的，物理学家历尽艰辛极富思想性和侧造性的工作也将付诸东流.当然，在物 理教学中，不可能也没有必要凡遇物理定律都作上述全面系统的考察，但结合 各个物理定律的特点，有选择地作一些介绍，恰当地把具体内容的讲授与科学 思维能力的培养结合起来，则是必要的、有益的，这也应该成为电磁学课程建 设与改革的一个重要方面 作为实验规律的物理定律是在观察和实验基础上建立的.然而，由于各种 物理定律所面临的对象和问题颇为不同，就其建立而言，或来自直接测量，或
第一章电磁学基本实验定律的建立 根据某一特殊结果的普遍推，或基于间接测量及相应的分析，或在假想实验 (理想实验)基础上的推断，或通过理论分析甚至猜测，等等，可谓千姿百态各 具特色，决非单一模式所能概全.尽管如此，无论物理定律是如何建立的，其 正确性都必须通过直接的实验检验才能确保，或者，如果直接检验有困难，则 由物理定律得出的推论必须与实验相符（间接验证），这是作为实验规律的一切 物理定律必须具备的基本要求.应该指出，物理定律是在一定条件下对所研究 对象具有某种属性的普遍判断，这在逻辑学上属于全称判断；而任何物理实验 总是在更为狭窄的具体条件下由实验作出的具体结论，即物理实验的具体结论 只能是逻辑学上的特称判断.由于特称判断从属于全称判断，所以，从特称判 断不可能逻辑地得到全称判断；反之，全称判断也不可能全部被个别的特称判 断所证实.因此，从物理实验事实不可能逻辑地得到物理定律；反之，物理定 律也不可能全部被物理实验所证实.对此，应从理论上有清醒的认识 自然界是沉默无语的.自然界不会自动地告诉人们掩藏在现象背后的本 质、规律和内在联系.也许可以把实验看做是人类与自然界的一种“对话”， 正是通过这种特殊的“对话”方式，迫使自然界作出回答，才能有所发现.于 是，为什么要做实验，做什么实验，怎么做，怎样具备各种必要的条件，怎样 分析实验的结果，等等，就都需要精心的考虑和妥善的安排.由此可见，科学 实验是用严格的理性分析来指导观察的方法.为了在实验基础上建立物理定 律，还需要抽象、归纳，需要去粗取精、去伪存真，有的还需要伴之以逻辑推 理、定量演算和理论分析，才能正确地揭示事物的本质、规律和内在联系.物 理定律的概括是在实验基础上理性思维的结果 任何物理定律都不是孤立的，在物理定律的概括中，往往隐含着某些更基 本的考虑或者某些更基本的假定与前提，通过这些不仅可以了解不同物理定律 之间的关系以及它们与物理学其他部门的关系，而且可以获得一种层次感.如 所周知，物理学的各种规律是分层次的，有些具体单纯，有些概括抽象，下层 次的规律往往要受到更高层次规律的制约， 任何物理定律都带有时代的烙印，都是相应历史背景下的产物.随着时代 的变迁和科学的发展，需要不断地对物理定律中未经实验验证的部分作进一步 的分析、推敲和考查，以求得更完善的概括，也需要不断地重新认识和评价物 理定律的物理含义、理论地位和近代发展.换言之，对于基本的物理定律，既 需要回顾，又需要前瞻，既需要尊重历史，又需要站在前沿的高度，以当代科 学的最新成就为依据，才能正确地评价历史.凡此种种精益求精的探索是永无 止境的 本章涉及的是大家熟知的电磁学基本定律，即Coulomb定律、Oersted实 验、Biot-Savart-Laplace定律、Ampere定律、Ohm定律和Faraday电磁感应定
§1.概 述 ·3· 律.对此，在各种电磁学教材中几乎无一例外地都有详尽的阐述.然而，如果 按照以上一般性论述的要求来衡量，就会明显地感到还有许多值得探讨和深究 之处，这些也正是本章的内容.为了激发读者的兴趣，也作为一种引导，现在 以提问的方式勾画出值得注意的要点，至于问题的答案以及有关的详细内容侧 请阅读本章以下各节 关于Coulomb定律： 一Franklin观察到什么重要现象，由此如何猜出电力应与距离平方成反 比？ 一Coulomb对扭秤作过什么研究，他设计制作的扭秤有何优点，是否适 用于测量电力？ 为什么Coulomb扭秤实验适于测量同号电荷之间的电斥力，而不适于测 量异号电荷之间的电引力？ Coulomb电引力单摆实验的原理是什么？ Coulomb从他的实验中得出了什么结论？ 一为了精确验证电力平方反比律，Cavendish的基本想法和实施办法是 什么？ 为什么当偏离电力平方反比律的修正数6≠0时，带电导体球壳的内表面 也会带电？ 为了精确验证电力平方反比律，Maxwell设计了什么样的示零实验装置， 他的实验步骤如何？结合此实验步骤，Maxwel如何进行理论分析，得出了什 么定量公式？试概述Maxwell所作理论分析的主要步骤以及他得出的定量公式 的含义.Maxwell怎样设法确定静电计的灵敏度？Maxwell得出的结论是什么？ 1971年得出的迄今最精确的6的下限是多少？ 回顾Cavendish-Maxwell精确验证电力平方反比律的示零实验和理论分 析，你得到了什么启示？ Coulomb定律的三个主要内容是什么，它们分别来自何处？ 作为电磁学中引人的第一个基本概念，电荷有何基本特征？ 为什么电力可以屏蔽，而万有引力无从屏蔽？ 何谓电荷守恒定律，它有什么广泛的实验依据？ 电荷是否存在相对论效应，何谓电荷的量子性与稳定性.试把电荷的这些 特征与质量类比， 一Coulomb定律的成立条件（真空与静止）是否必要，能否放宽，为什 么？ 为什么静止电荷之间的Coulomb力遵循Newton第三定律，而运动电荷之 间的作用力却不遵循Newton第三定律？Newton第三定律与动量守恒定律的
·4· 第一章电磁学基本实验定律的建立 关系是什么？Newton第三定律在什么条件下适用？ -Coulomb定律的适用范围是什么？ 一试评价Coulomb定律的理论地位，8与光子静止质量my有何关系， 为什么物理学家对6与y是否严格为零如此关注 关于Oersted实验，B.S.L.定律和Ampere定律： 试准确叙述Oersted实验的内容，它究竟发现了什么，意义何在？ 何谓横向力，它对尔后B.S.L.定律以及Ampere定律的建立起了什么作 用？ 一在Oersted实验之后，提出了哪些电磁学研究的重要课题？ 提出问题是科学研究的关键步骤，你从这一段历史中得到了什么启示？ Biot和Savart提出的问题是什么？对此，他们作了什么分析？ 为了得出他们试图寻找的规律，需要克服什么困难？Biot和Savart共做了 几个实验，这些实验得出了什么结论？其中，弯折载流导线对磁极作用力的实 验巧妙在哪里？ 如何从这些特殊实验的结果经理论分析得出了普遍的B.S.L.定律？他们 的理论分析是否严格，为什么可以这样做？ 一回顾B.S.L.定律的建立（包括实验工作和理论分析），你得到了什么 启示？ 一在几乎同样的背景下，Ampere提出了什么问题？为什么说Ampere 的问题比Biot-Savart的问题更深刻更广泛？Ampere有什么实验和理论的根 据？ 为了得出Ampere试图寻找的定量规律，需要克服什么困难？ 试述Ampere精心设计的四个示零实验.由此得出了什么结论？ 在与此紧密联系的理论分析中，为什么Ampere要强加沿连线的假设？这 个假设有何不妥之处，其思想根源是什么？ 试述Ampere所作理论分析的主要步骤，采用的技巧，以及得出的结论， 原始的Ampere公式有何矛盾，如何修正才能得出近代形式的Ampere定 律？ 试述B.S.L.定律与Ampere力公式的成立条件.为什么两者的成立 条件明显不同？ 回顾Ampere定律的建立（包括Ampere的四个示零实验，理论分析，沿 连线假设的失误和原始Ampere公式的修正)，你得到了什么启示？ 关于Ohm定律： 一试述Om如何经过实验测量，寻找经验关系，确定参量含义，最终 建立定量规律
§2.Coulomb定律 *5· 何谓Ohm定律，它的意义何在，成立条件是什么？ 回顾Ohm定律的建立，你得到了什么启示？ 关于Faraday电磁感应定律： 为了寻找电磁感应现象，历史上曾经有过什么有趣的故事，从中可以 得出什么经验教训？ 一Faraday是怎样发现电磁感应现象的？又如何逐步深入地进行研究？ 何谓感应电动势，Faraday怎样用他的力线图象来解释感应电动势产生的 原因，Faraday对电磁作用的传播作过什么猜测？ Faraday借助于力线或场表述的关于电磁现象的近距作用观点有何实验依 据，对于尔后Maxwel电磁场理论的建立有何指导意义？ 回顾Faraday发现并深入研究电磁感应的历史，你得到了什么启示？ §2.Coulomb定律 Coulomb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 Coulomb定律阐明了静止点电荷相互作用的规律，决定了静电场的性质，也为 整个电磁场理论奠定了基础.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 论观点在物理学的统治地位.Coulomb定律又是物理学中最精确的基本实验定 律之一.200多年来，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子静止质量my是否为零有关，如有偏差，则 mγ≠0，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Coulomb定律，充实提高对它的 认识，确实是有必要的 从教学上说，Coulomb定律是学生在电磁学课程中遇到的第一个基本定 律，多方面的考察不仅能加深学生的理解，而且会使学生逐步懂得应该如何学 习和思考 本节首先介绍Coulomb定律建立和精确验证的历史过程，然后，以静电 学、电磁学乃至物理学的相关前沿进展为背景，阐述Coulomb定律的丰富内 涵和重要理论地位 一、Coulomb电斥力扭秤实验和电引力单摆实验 Charles Augustin de Coulomb(1736一1806)是法国物理学家，他的贡献主 要在力学和电学