高中物理静电磁场教学中要弄清的几个问题

张成祥

摘 要： 在高中物理选修3-1的教学中，电场一章的教学难点很多。对一些问题的认识教师也有些模糊，很有必要弄清楚，作者对有关问题分析了自己的认识和见解。

关键词： 电磁场 库仑定律 电量 电荷

一、关于库仑定律成立的条件

1.库仑定律是否一定要在“真空”中才成立？

很多老师在讲解定律成立条件时过于强调“真空”这个条件。事实上“真空”不是定律成立的必要条件，但为了让表达和计算简便，再加上要考虑历史的原因，现行教科书中库仑定律适用条件的表达仍习惯表达为真空中的两个点静止的点电荷。这是因为即使两个点电荷周围不是真空，存在某种其他物质（带电体、导体、介质等）时，我们仍然可以运用叠加原理和库仑定律计算静电力。

2.如何理解库仑定律成立条件中的“静止”？

电荷“静止”是库仑定律成立的必要条件，其含义包括：两个点电荷相对静止，点电荷相对观察者是静止的。这个条件可外推，静电荷对动电荷的作用库仑定律仍然适用，但考虑运动电荷对静电荷的作用时库仑定律不再适用。并由此得出一个值得注意的问题，静止电荷与静止电荷的相互作用遵守牛顿第三定律，但静止电荷与运动电荷的相互作用不再遵守牛顿第三定律，原因是运动电荷产生电磁场要考虑电磁场对电荷的作用。

二、关于物体最多能带多少电量问题

物体的带电量是有极限的，一个带电体最多能带多少电量是值得注意的问题。在很多教参和教师自编的练习中，在设定物体的带电量时往往为了数值计算的方便，把带电体带电量的数量级设为负3、负3次方数量级（库仑），更有甚者设为2C、10C、200C不等，这是极不严谨的。事实上，通过理论推算一般的物体的带电量极限值大约在10的负8次方数量级（库仑）。我们不妨做一个很粗略的推算。一般的小电容器电容量只有几个皮法，即10的负12次方法拉，而带电体间的电势差达10的4次方伏（数千伏到上万伏）时就会放电。据电容公式可以推出，因为一般带电体物体与周围带电体构成电容器要比实际电容器的电容值更小，所以其带电量不会超过10的负8、9次方这个数量级。也就是说，我们在编练习时设置物体带电量的数量级最大不能超过10的负8次方库仑，否则就属科学性错误。

三、关于点电荷和检验电荷

“点电荷”是一个没有大小和形状的几何点，电荷全部集中在这几何点上。事实上，任何带电体都有其大小和形状，真正的点电荷是不存在的，它是一个理想化模型。不过，当我们在研究带电体间的相互作用时，如果带电体本身的几何尺寸比起它们之间的距离小得很多，那么带电体的形状、大小和电荷分布对带电体之间的相互作用的影响可以忽略不计。在此情况下，我们可以把带电体抽象成点电荷模型。只有这样，“电荷之间的距离”才会有确定的含义。学生有了质点的概念，对点电荷的理解并不难。但值得注意的是，有部分学生误认为点电荷带电量应该很小。事实上，对点电荷的带电量是没有限制的，可以很小也可以很大的（当然要求以上第二点所述范围内）。

所谓“检验电荷”有以下两个要求：一是检验电荷的几何线度必须足够小，即可以把它看做点电荷，只有这样才可以用它确定空间各点的电场性质。二是检验电荷的带电量要足够小，使得它的引入不会引起场源电荷分布发生改变而影响原有电场，这样测得的场性质才是原来存在的场性质。有人认为，从场强的定义知道，场强与体验电荷是无关的，所以对检验电荷量的大小不该有足够小这个要求，这是个误解。原因就是因为场源电荷可能是体积较大的带电体，若检验电荷量不是足够小，引入检验电荷后，因为静电感应（对金属带电体而言）或电极化（对介质带电体而言），源电荷就会重新分布，检验电荷所处位置的场强必定会改变。

由此可见，点电荷与检验电荷有异有同。相同的是它们几何尺寸必须足够小，小到在我们研究的问题中带电体的形状大小可以被忽略，不同的是点电荷并不要求电量一定要充够小，而检验电荷的电量一定要足够小。