114．试验电荷.PDFVIP

物理学的历史负担 114．试验电荷 主题： → → F 电场强度通常用公式 E 来定义： Q “电场强度就是作用在电荷上的力与电荷量的比值。” 有些作者显得更细心，将电场强度定义为： → → F E lim . Q→0 Q 缺点： 当人们用下式 F=Q•E （1） 来引入电场强度时，他们有两个目的：首先，他们是为了给出确定电场强度值的步骤；其 次，他们是为了给出“场”这个物理系统的直觉理解。我们认为，用（1）式来引入E 对 于达到这两个目的都是不合适的。 1．作为一名年长的物理学家，在我的记忆中我从来没有用公式（1）来确定电场强度。 这并不意味着我从来没有接触过这样的工作。相反，我进行过很多次计算和测定电场强度 的工作，但不是应用（1）式来进行这样的工作。（1）式中的电场力相对于大的测度来说 是很小的，以致于人们不愿意做这样的测量。 实际中电场强度是如何来确定的呢？原则上任何含有 E 的公式都可用来测定电场强 度。对于平行板电容器中的匀强电场，用E= U/d 这个关系式显得特别方便。另一个可操作 的公式是 2 ε → σ 0 E . 2 力学应力或动量流密度σ等于力（动量流）除以面积。对于电容器，我们必须测出一 个极板作用在另一个极板上的力。 另一个问题是，用F=Q•E 来测定E 的步骤确实是不明显的。实际上，所测出来的电 场强度值不真正是试验电荷所处位置的电场强度。这就是有些作者总要说“试验电荷”必 须是小的，甚至趋向于零。人们认为这个测量过程在概念上是清楚的。事实上，“试验电 荷必须是小的”这句话是似是而非的。从别的测量中我们都知道，测量工具不能对所测的 1 物理学的历史负担 系统产生影响。（伏特表必须有较大的电阻，温度计必须有较小的热容量。）然而，在我们 所讨论的情况中，试验电荷的值很大也不会影响E 的测量结果（只要不发生静电感应现象， 即只要所有带电体都固定在空间中）。实际上，试验电荷值的大小可以是任意的。这个值 甚至可以比产生电场的电荷值更大，这样也不会影响测量结果。 因此，试验电荷不一定要很小。如果试验电荷很小，那么问题就出来了，本来就很小 的力就变得更小了。 2 ．如果我们用（1）式来描述电场，那么就会产生这样的观念，即对试验电荷有力的 作用是电场的唯一性质。然而，这显然是学习静电学的一个很不好的开端，这是因为我们 的最终目的是要让学生知道电场本身是一个独立的物理系统。我们必须记住，在自然界中 发生的多数电磁现象是与电荷无关的。电荷仅仅告诉我们关于电磁场与物质之间相互作用 的知识。 历史： 物理大师麦克斯韦当时确实是这样认为的，相关内容写在他1000 页巨著的第一页上。 这对于麦克斯韦来说是正常的，这是因为他当时的目的是想用力学来解释所有电动力学的 问题。 建议： 不要一开始就将电场与作用在试验电荷上的力这两个概念混在一起。把电场作为一个 独立的系统来引入，并给出它不同的性质。要告诉学生，电场能储存能量。然而告诉学生， 电场可以用单独一个矢量来描述。只有在这时，我们可以引入测量电场强度的步骤，但不 是仅仅用作用在试验电荷上的力来引入。 Friedrich Herrmann, Karlsruhe Institute of Technology 2