你恐怕没见过,教人思考的物理书是什么样?

科学的故事 2024-12-09 16:27:27

一般的物理书怎样开始静电学?

通常都是从古希腊人的一个发现开始:摩擦过的琥珀,可以吸引轻小物体。

接着会指出一共存在两种电荷,电荷之间存在力的作用,同种电荷互相排斥,异种电荷互相吸引。这种力称为静电力。

有的老师这时还会向学生总结出三种情况:

1. 同种电荷互相排斥

2. 异种电荷互相吸引

3. 带电物体(无论带哪一种电荷)可以吸引不带电的轻小物体

大家学到这里时,有没有产生一个疑问呢?

前两种情况中的力,属于静电力,第三种情况中的力,属于什么力呢?

有些物理书会对第三种情况中的力进行解释,有些书则对此保持高贵的沉默。

对第三种情况中的力进行解释的书,有些解释得平淡,有些解释得精彩。

我读到的最精彩的解释,来自物理学教育的经典著作《面向爱探究的头脑的物理学》。

这个解释出场时间很晚。它是在讲完下面许多内容之后,才出场的:

摩擦起电,导体与绝缘体,正负电荷,起电盘,验电器,感应起电,空心导体,高电压静电发电机,电荷守恒,库仑定律,静电场,各种情况下的电场分布,电流与电荷的关系。

它这时候才出场,是因为,直到这时候,我们才具备足够的知识,去理解最早的那个带电体吸引轻小物体的现象。

重要的是,作者没有忘了,那个现象需要解释。

对那个现象的解释,一共用了两段(下图)。本文只介绍第一段(图中用红线圈出)。

我挑这一段的原因是,这一段向我们展示了,物理教育大师是怎样教我们思考,而不是仅仅教我们静止的事实。这一段首先说,古希腊人的电学实验,即摩擦过的琥珀能够把轻木屑吸起来,不是像人以为的那样容易解释。接着提出问题:带电体为什么会吸引不带电的物体呢?因为它在后者身上感应出电荷。(老贾:假设带电体带正电,当它靠近不带电的轻小物体时

由于静电感应,轻小物体靠近带电体的一端带上负电,另一端带上正电。带负电的一端与带电体互相吸引,另一端与带电体互相排斥。由于电荷守恒,两端的电量相同,而由于带负电的一端离带电体较近,所以吸引力大于排斥力,从而带电体与轻小物体之间的总的力,呈现为吸引力。所以,它们之间的吸引力,仍然属于静电力)假如给出这个解释就结束(已经完满完成解释的任务了),那这书也称不上精彩了。

精彩在于,根据这个解释,它立即展开推理:如果带电体对不带电物体的吸引,是由于感应电荷,那么(原文中then),轻小物体应该是导体(比如金属)材料,因为金属中的感应电荷更容易分开。注意这是推理出来的结果。要知道,为了演示摩擦起电,我们通常是用丝绸摩擦过的玻璃棒,或用头发摩擦过的塑料笔,去吸引纸屑或小木屑,很少人(想到)去吸引金属屑。

因为我们没有进行过这个推理。那么,推理的结果与事实符合吗?作者说:事实果然如此,带电棒很容易吸起轻的(因为吸引力要与重力竞争)金属小片,比如铝箔。推理结果与事实的符合,表明了什么呢?它表明,感应电荷提供的解释是正确的。(至少是为它的正确性增加了证据)但是且慢!假如那个解释是正确的,那带电棒应该很难吸起优良的绝缘体,为什么容易把木屑或纸屑吸起来呢?

这是因为,木屑和纸屑中总是含有一定的水份,因而具有一定导电能力。到这里还没完。作者继续进行另一个推理:被感应物体中,远离带电棒的那一端,与带电棒互相排斥,这样就使带电棒与被感应物体之间的吸引效果减弱了。如果把轻小物体所在的桌子接地,当带电棒(假设带正电)靠近它时,感应出的正电荷会跑到地球上,轻小物体上只有负电荷,带电棒对它的吸引力会更大!

而事实果然如此!这就是伟大的E.Rogers在那一小段中向我们讲的东西。刺不刺激?你看,他不是只教给我们静止的事实(或理论,或解释),而是根据解释,立即展开推理,推理出几种有趣的结果,然后与实际情况进行比较。这就是科学思维的精髓所在!Rogers在教我们怎样思考!我们面前是一个活跃着的,一直在进行推理与验证的大脑。后一段是告诉我们,即使是完美的绝缘体,也能被带电棒吸引,只不过吸引力很弱。这一段也很精彩(深远而宏大),不过它的精彩是在另一方面,就不介绍了。

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