同性相斥,异性相吸,那你知道它们之间力有多大吗?

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原创: 金斯基 赛先生

答案就在库仑定律!

无论你有没有学过这条定律,它背后的故事,你一定没有全听过。

就算你学过这条定律、高考物理满分,你敢说自己真的懂了?

别着急,有人可以用十分钟,让你“淼懂”库仑定律。

同性相斥,异性相吸,那你知道它们之间力有多大吗?

撰文 | 金斯基

编辑 | 金庄维

现代人的生活“电力十足”,虽然电进入人们的日常只不过是近一百多年的事情,但是人们对电及各种相关现象的研究可以追溯到古希腊时期。

据史料记载,早在公元前600年,古希腊哲学家泰勒斯(Thales)曾记录下这种神奇的现象:当他用一块皮毛反复擦拭琥珀之后,琥珀就能吸附住稻草和其他小物件。之后,“电”作为一种神秘的现象只被一些炼金术士所研究,研究结果乏善可陈,人们对此也不以为然。

直到十七、十八世纪,“科学技术”在经历过文艺复兴的欧洲蓬勃发展,新一代的科学家们开始深入研究这种现象,并将其命名为“电”——英文为Electricity,来源于古希腊词“Elektron”(原意为“琥珀”),意为“琥珀之力”。

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(图源:Cold Fusion Now)

在那个人才辈出的年代,前有英国物理学家吉尔伯特(W.Gilbert)系统研究了静电现象,后有美国科学家富兰克林(B. Franklin,没错,就是那个追着风筝跑的人——可惜这不是真的,不然早被劈死了)提出正负电概念,像这样的科学家不胜枚举,推动着科学的进步。

在电的科学史中,有一位科学家的名字占据着极其重要的地位。他第一个给电力制定出定量的规律,使得电学研究从定性进入定量阶段,成为了电学史上的一个重要里程碑。这就是法国物理学家查尔斯•库仑(Charles-Augustin de Coulomb)。

库仑其人

1736年,库仑生于法国南部小城蒙彼利埃(Montpellier)附近的一户富裕家庭中,童年随家人移居巴黎。1760年他考入位于梅济耶尔(Mezieres)的著名军事学校École royale du génie,并在那里取得工程师学位,成为军队工程部队的一名中尉。

库仑所处的十八世纪正是经验科学迅猛发展的时期,不仅有先进且复杂精妙的实验技术,人们还广泛使用着数学分析手段进行研究。库仑就读的军事学校同时训练学生掌握上述两种科学研究方法。他将这些方法融会贯通,并结合应用到自己的研究中,可以称得上是位科学型工程师。

1764年,他到法属马提尼克岛(Martinique)服役,并负责当地的军事要塞建筑工程。后因健康原因于1772年返回巴黎。从那时起,他的研究兴趣从工程项目转变为纯物理学,主要是电磁学方面的研究。这次转变也给电学史带来了巨大变革。

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(图源:wikipedia)

库仑定律

1773年,法国科学院公开悬赏,征求改良航海指南中的磁针问题。经过四年潜心研究,库仑交出了自己的方案:为了避免磁针与支架轴的摩擦问题,他建议用细头发丝或者丝线悬挂磁针。

然而,在实验过程中,他有了意外发现:丝线扭转时的扭力和磁针转过的角度成比例关系,从而可利用此装置测出静电力和磁力的大小。就这样,他发明了扭秤。

据他本人所说,这个发明受到了纺车的启发——他注意到纱线的断头总是向着相反的方向卷曲,纺线拧得越紧,反卷的圈数就越多。他由此联想到,可以根据纱线卷曲的程度来度量力的大小,同理,也可以利用扭秤来测量电荷之间的力。

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(图源:www.mofangge.com)

1785年,库仑利用扭秤实验反复测量了两电荷之间的作用力与它们之间距离的关系。在不断修正实验中的误差之后,“库仑定律”横空出世。库仑在《电力定律》中将库仑定律描述为:两个带有同种类型电荷的小球之间的排斥力与这俩球中心之间的距离平方成反比。

随后而来的轰轰烈烈的法国大革命让库仑不得不终止在法国科学院的工作,虽然他本人还会时不时地开展一些电磁学研究工作。1806年,库仑在巴黎因病逝世。

库仑“周边”

为了纪念库仑和他了不起的科学成就,法国发行过纪念邮票,上面不仅有他的画像,还有帮助他发现库仑定律的重要装置——扭秤(见题图)。

此外,法国人民还把他的名字印刻到了巴黎著名的地标建筑——埃菲尔铁塔第一个平台下的墙壁上。这四面墙壁上共刻有72位法国著名科学家、工程师和知名人士的姓名。而面向军事学校的墙壁上就能看到库仑的大名。

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看看库仑的左邻右舍都有谁(图源:wikipedia)

最后,还有一大堆物理概念以库仑命名:作为单位的库仑,库仑常数,库仑散射,库仑规范等等。你还能举出其他的库仑“周边”吗?(库仑很忙呀〜)

在这些“周边”中,库仑定律也许是最有名的。作为电学史上的第一条定量规律,这可是高中物理的重要内容,理科生必考!大家看看下面这个库仑公式,要想知道电荷之间的作用力有多大,就得靠它。

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(图源:Slide Share)

如果你觉得这个公式很复杂,那么这里有一位爱写诗的非典型物理学家,可以让你“淼懂”库仑定律。

就算你学过这个公式,解题不在话下,那也别错过淼叔版库仑定律,里面一定有你不知道的料。

不信?点开来听!

淼懂物理学(库仑定律)来自赛先生

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10:57

关于库仑和他的“周边”

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淼叔会翻牌子哒〜

如果你对世界充满好奇,如果你想迅速GET万物运行最基本的规律,或者如果你希望学会用最聪明的思考方式提高做事效率,不妨听听知乎大学私家课《淼懂物理学:理解世界的极简指南》

参考资料

[1] https://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%9F%83%E8%8F%B2%E5%B0%94%E9%93%81%E5%A1%94%E4%B8%8A%E6%89%80%E5%88%BB%E7%9A%8472%E4%BA%BA%E5%88%97%E8%A1%A8

[2] http://science.sciencemag.org/content/176/4035/667

[3] https://mp.weixin.qq.com/s/GdTJObnjXWdMbug8Exj4lg?

[4] https://en.wikipedia.org/wiki/Charles-Augustin_de_Coulomb

[5] https://www.aps.org/publications/apsnews/201606/physicshistory.cfm#3

文章头图及封面图片来源:中国物理学会期刊网

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