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静电场三自教育材料静电学的发展及其探究思维的演变摘要：本文初步探讨了静电学发展过程中的思维方法演变，按照时间顺序和静电学发展的过程，对思维方法演变过程进行了阶段划分，按照天然的物理实验方法阶段、简单模拟物理实验阶段、定性物理实验和假说思维方法阶段、定量实验与归纳推理阶段、归纳推理和类比方法指导定量实验阶段、静电学理论应用六个阶段对静电学发展历程和思维方式演变进行了探讨。从静电学发展过程来看，其思维方法演变符合物理思维方法的一般演变过程，也表现出了与力学体系发展有着差异的演变过程。关键词：静电学发展史，静电学思维方法演变史0序言“电”是现代社会的基石，以能源、信息载体的形式支撑着现代社会的运行。“电”一词在西方文化中是从希腊文“琥珀”转意而来的，在中国则是从雷闪现象中引出来的。从18世纪中叶以来，对电的研究逐渐深入，它的每项重大发现都引起广泛的实用研究，从而促进科学技术的飞速发展。现今，无论人类生活、科学技术活动以及物质生产活动都已离不开电。静电学是电学中最古老的学科，现在静电应用技术和静电防护技术已越来越受到人们的重视，因而对经典静电学作一较为详细的回顾也是很有意义的。作者从事静电探测相关的研究，因此本文尝试对静电学的发展及发展过程中的思维方法进行初步的探讨，以期对静电研究领域有更深入的认识。1天然的物理实验方法阶段大约在公元前16世纪（殷商时代），甲骨文中出现“雷”字，在公元前11世纪（西周时代），青铜器的铭文中出现“电”字，公元前600年前后，西方哲学史上第一位有名字留下来的哲学家--希腊人泰勒斯（Thales）记载了摩擦后的琥珀吸引羽毛的现象。但在当时认为“琥珀吸引微物是它们内在的能力”，并不能给出正确的结论。在中国，西汉末年已有“碡瑁吸偌”（玳瑁吸引细小物体）的记载；晋朝时进一步记载了“今人梳头，解著衣时，有随梳解结有光者，亦有咤声”，是有关于摩擦起电引起放电现象的记载。同时，人们记载了各种雷电现象，但是并没有把雷电现象和琥珀等摩擦后吸引轻小物体的现象联系到一起。[1]在这一时期，人们开展静电学研究的思维方式是历史最悠久也最原始的方法--天然的物理实验方法,是人们通过对各种天然的物理现象的观察、思考与记载，逐步认识物理运动的规律和特征，这一过程最主要的成果是对物理现象的意识、认识与思考。2简单模拟物理实验阶段在1600年，英国物理学家吉伯（Gilbert）发现，除了琥珀摩擦后能吸引轻小物体，还有相当多的物质经摩擦后也都具有吸引轻小物体的性质，他注意到这些物质经摩擦后并不具备磁石那种指识南北的性质。为了表明与磁性的不同，他采用琥珀的希腊字母拼音把这种性质称为“电的”。吉伯在实验过程中制作了第一只验电器，这是一根中心固定可转动的金属细棒，当与摩擦过的琥珀靠近时，金属细棒可转动指向琥珀。大约在1660年，马德堡市长盖利克（Guericke）发明了第一台摩擦起电机。他用硫磺制成形如地球仪的可转动球体，用干燥的手掌摩擦转动球体，使之获得电。盖利克的摩擦起电机经过不断改进，1705年英国科学家F.豪克斯比(F.Hauksbee)将硫磺球改成了空心玻璃球，在英国皇家学会制成第一台大功率静电起电机，并进行辉光放电实验，在静电实验研究中起着重要的作用，直到19世纪W.霍耳茨（W.Holtztr）和A.推普勒(A.Topler)分别发明感应起电机后才被取代。图1：Gilbert的验电器在这一时期，人们的思维方式在天然物理实验的基础上开始向模拟物理实验转化，实验对象是人为的或人工控制的,因此就更有目的性,人们可根据需要突出重点,抓住关键,集中研究,另外实验的地点、周期、时间人们是可以掌握的,即实验具有重复性.这对实验工作意义重大,人们可以根据需要进行多次重复,反复对物理现象进行研究,从而使实验更富有成果和高效率。因此这类实验在静电学的发展中占有极其重要的地位。3定性物理实验和假说思维方法阶段18世纪对静电的研究蓬勃发展，在18世纪前期的研究中，人们基本采用定性物理实验的方式开展研究。1729年，英国的格雷(Gray)发现导体和绝缘体的区别，他在研究琥珀的电效应是否可传递给其他物体时发现金属可导电，丝绸不导电，并且他第一次有目的的使人体带电。格雷的实验引起了法国电学家迪费(CharlesDuFay)的注意，1733年迪费发表了重要论文《论电》，提出电的二元流体的假设(区分正、负电荷)，主张存在两种电,他把玻璃上产生的电命名为“玻璃的”，树脂或琥珀上产生的电命名为“树脂的”，并总结出静电学第一个基本原理──“同性相斥，异性相吸”，还总结出物体带电的3种方式：摩擦带电，传导带电，感应带电。[2]1745年，荷兰莱顿大学教授穆申布鲁克（PietervonMusschenbroek）发明了能保存电的莱顿瓶。莱顿瓶的发明是一个标志性的进展，为电的进一步研究提供了条件，使得以往只有摩擦才能产生的电可以存贮起来在需要的时候进行实验。在这一时期，美国的富兰克林(BenjaminFranklin)做了许多有意义的工作，使得人们对电的认识更加丰富。1747年他根据实验提出了电荷守恒定律的最初版本：在正常条件下电是以一定的量存在于所有物质中的一种元素；电跟流体一样，摩擦的作用可以使它从一物体转移到另一物体，但不能创造；任何孤立物体的电总量是不变的。他把摩擦时物体获得的电的多余部分叫做带正电，物体失去电而不足的部分叫做带负电。虽然在今天看来他的这种关于电的一元流体理论并不正确，但他所使用的正电和负电的术语至今仍被采用。更为重要的是，在1749年，他注意到雷闪与放电有许多相同之处，并且他1752年通过在雷雨天气将风筝放入云层，把雷电引入莱顿瓶，证明了雷电与莱顿瓶放电没有本质的区别，这也是一个划时代的发现，使得人们把天上的电和人为摩擦的电统一起来。在认识了雷电的本质后，他还观察到导体的尖端更易于放电，在此基础上，他建议用避雷针来防护建筑物免遭雷击，由狄维斯于1745年首先实现，这应该是电学发展史上的电学知识的第一个实际应用。在这一时期，人们在研究静电学规律时，基本没有作量的测定，大部分的精力在于以可重复的实验弄清物理属性和规律,建立描述物理属性的一般性法则，富兰克林对比了雷电与摩擦电的区别与联系，用莱顿瓶存贮雷电电荷和摩擦起电电荷，进行了对比实验，最终统一了对两种电的认识，认为其本质是相同的，是静电学发展史上的又一个里程碑，并且利用对静电学物理规律定性的认识，开展了静电学的实际应用。4定量实验与归纳推理阶段18世纪后期开始了电荷相互作用的定量研究，在这一阶段，静电学发展速度明显加快。1776年，普里斯特利发现带电金属容器内表面没有电荷，应用类比方法和归纳推理方法，猜测电力与万有引力有相似的规律。1769年，J.鲁宾孙（JohnRobison）通过作用在一个小球上电力和重力平衡的实验，第一次直接测定了两个电荷相互作用力与距离二次方成反比。1773年，卡文迪许（Cavendish）使用木心球电位计测内球电位，推算出电力与距离的二次方成反比，他的这一实验是近代精确验证电力定律的雏形。1777年T.卡瓦洛发明了卡瓦洛静电计，使静电测量技术发生飞跃，1785～1789年法国物理学家库仑（CharleAugustinedeCoulomb）用一种扭秤测定静电相互作用和静磁相互作用，直接测定了两个静止点电荷的相互作用力的大小，得出了两个静止点电荷的相互作用力的大小与它们之间的距离二次方成反比，与它们的电量乘积成正比的结论，发表了库仑定律，为静电学奠定了科学基础，库仑的实验得到了世界的公认，从此电学的研究开始进入科学行列。1786年9月，伦敦皇家学会会员A.贝内特提出金叶静电计的结构，静电测量技术发展到18世纪最为完善的程度。1800年意大利A.伏打（AlessandroVolta）公布了他于1795～1796年间已经发现的电池原理，并用铜片、浸盐水的纸片、锌片依次重叠起来，创制最早的获得连续电流的伏打电堆，这一发明表明电学发展史已经由静电学领域发展到直流电学领域。1802年俄国V.V.彼得罗夫用伏打电堆研究放电现象。他使用多达2100单元的电堆，发现了电弧，并指出电弧的发光和产生的高温，将在照明及加热中得到应用。5归纳推理和类比方法指导定量实验阶段1811年法国数学家泊松和德国数学家高斯把早先力学中拉普拉斯在万有引力定律基础上发展起来的势论用于静电推导出泊松方程和高斯定律，发展了静电学的解析理论。在此后一段时间内，直流电理论有了长足发展，先后提出安培定律、安培环路定理、高斯定理、法拉弟电磁感应定律等，但是静电学理论一直没有重大突破，直到1861年英国J.C.麦克斯韦（JamesClerkMaxwell）引入位移电流概念，提出电磁场理论，1864年J.C.麦克斯韦提出电磁场基本方程式──麦克斯韦方程组，并预言电磁波的存在和电磁波与光波的同一性，建立了较为完整的电磁学理论。1885年汤姆孙制成静电电压表。1888年德国人H.R.赫兹（HeinrichHertz）发表关于电磁波的发生和接收的实验论文，从电磁波的传播规律，证明电磁波的存在，给电磁学理论有力的实验验证。在电磁学的体系发展过程中可以看出,电磁理论是电磁学的终点,它是在库仑定律、安培定律、安培环路定理、高斯定理、法拉弟电磁感应定律等基本内容的基础上归纳而成的普遍结论。因此归纳方法便成了电磁学发展的主要特征，这一点不同于力学发展过程中的演绎方法为主的特点，而且电磁学实验分析中引入了类比思想。归纳方法是由培根提出的，它是从一些个别事实中概括出一般的概念、一般规律的思维方法,是一种推理形式。这种方法的基础是大量的经验材料和实验现象的研究。它在物理学中的作用,现代物理学的奠基人普朗克在《从近代物理学来看宇宙》一书中指出:“物理规律的性质和内容,都不可能依靠单纯思维来获得；唯一可能的途径是致力于对自然界的观察,尽可能地搜寻最大量的各种经验事实,并把这些事实加以比较,然后以最简单、最全面的命题总结出来,换句话说,我们必须采用归纳法。”6静电学理论应用阶段在进入20世纪后，在直流和交流电学领域，各项研究如火如荼，但是静电学领域研究没有了电学发展史前期的一枝独秀的局面，静电学理论的应用研究也相比电学其他领域较为薄弱。这一期间较为突出的是1931～1933年德国M.克诺尔和E.腊斯卡确立电子显微镜基本原理，制成第一台透射式电子显微镜。1931年R.J.范德格喇夫（VandeGraff）发明范德格喇夫起电机，半径为1米的金属球约可产生1兆伏(对地)的高电压，产生正电的范德格喇夫起电机在科学研究中用作正离子的加速电源，产生负电的范德格喇夫起电机应用在高穿透性X射线发生器中。1936年法国G.德斯特里奥发现场致发光现象。1937年美国卡尔森发明了干式静电复印机。20世纪的静电学应用研究还包括的静电除尘，静电喷涂，雷电监测与预警，还有在军事领域的静电探测研究等。在这一时期，静电学理论体系包括麦克斯韦电磁理论体系内，研究偏向于应用，但是在应用研究领域，对于解决静电学领域的具体应用问题，类比方法、归纳推理方法和物理模型化方法依然发挥着重要作用。7总结本文初步探讨了静电学发展过程中的思维方法演变，按照时间顺序和静电学发展的过程，对思维方法演变进行了阶段划分。从静电学发展过程来看，其思维方法演变符合物理思维方法的一般演变过程，也表现出了与力学体系发展有着差异的演变过程。参考文献[1]黄久生,刘尚合.经典静电学史与现代静电技术,物理,(1997.1)[2]陈熙谋、陈秉乾.电磁学定律和电磁场理论的建立与发展,高等教育出版社,(1992)[3]GeorgedeLucenayLeon.TheElectricityStory,ArcoPublishingCompany,Inc.,NewYork,(1983)[4]OwenJ.McAteer.ElectrostaticDischargeControl,McGraw-HillPublishingCompany,NewYork,(1990)[5]于国安，原所佳.试析电磁学的方法论结构,曲阜师范大学学报（1994.7