哪些试验可以证明自然界只有两种电荷!

Question

哪些试验可以证明自然界只有两种电荷!

Answer 1

“自然界只存在两种电荷”揭示了电荷的“二元化”本性,是静电学的重要结论之一.从方法论上看,该结论是观察、实验与逻辑推理相结合的产物,其中蕴含着可滋学生智能发展和科学素质提高的丰富营养,正因如此教参中明确提出：“应使学生了解自然界中只有两种电荷的逻辑思维过程,发展学生的逻辑推理能力”.然而笔者发现,实际教学中能切实达成上述要求的并不多,大多数教师仅是在演示完两玻璃棒（与丝绸摩擦的）相排斥,而与橡胶棒（与皮毛摩擦的）相吸引的实验后,就草率地导出了“只存在两种电荷”的结论,殊不知该实验仅能说明玻璃棒与橡胶棒所带电荷不同,或说明自然界至少存在两种电荷,离得出只有两种电荷尚缺少大量的实验事实和必要的逻辑推理过程的支持.在这样的教学中学生只是囫囵记住了“只存在两种电荷”这一结论,其实并不真正理解得出结论的研究过程,更谈不上思维能力的发展和科学素养的培育.出现上述状况的原因主要是不少教师对涉及电荷分类的以下两个问题缺乏深层次的了解,它们是：
二、两种电荷的分类标准
　 我们知道,分类是在比较的基础上,按一定的标准将事物分成不同类属的科学研究方法.谈到分类必然涉及到分类标准,标准不同,同一事物也有可能分属于不同的类别.对电荷（或是带电体）进行分类的标准是什么呢?我们知道电荷最基本的性质是电荷间存在相互作用力（带电体对轻小物体的吸引实质上也是电荷间相互作用的特殊表现形式）,电荷间的作用有引力和斥力之分.如果我们选择某一带电体,如与丝绸摩擦后的玻璃棒（称作参考物）,将其它带电体与之作用,依据引力和斥力的不同,就可将其它带电体分为两类,即与玻璃棒相斥的为一类,称为A类；与玻璃棒相吸引的归为另一类,称为B类.这里所说的其它带电体还不包括作为参考物的那根玻璃棒.作为参考物的那个带电体的归类则是依据“同源同性”的思想来确定的,其逻辑判断过程为：因为取另一根玻璃棒与参考物相靠近时表现为斥力,则此玻璃棒属于A类,而两玻璃棒上所带电荷的来源是相同的,都是与丝绸摩擦后所得的,其电性自然也是相同的,这样作为参考的那根玻璃棒也必定属于A类.这样我们就可以用某一带电体作为参考物,以电荷间的相互作用力的性质作为分类标准,把自然界的所有电荷 （带电体）分为两类了.
三、　　　　　　 电荷分类结果与参考物选择的无关性
　 前面我们虽然已将自然界中的电荷分成了两类,但据此得出只有两种电荷还为时尚早,因为参考物的的选取是任意的,若换用另一参考物,如换用与皮毛摩擦过的橡胶棒,则所有电荷又可分为两类,一类与橡胶棒相斥,称为A‘类,另一类与橡胶棒相吸,为B’类,只有这样分得的A‘、B’和前面的A、B类中的组元构成完全相同时,即电荷分类的结果与参考物无关时,我们无论具体选择谁作参考物,最后的分类结果将是完全一样的,这样我们才能说自然界只有两种电荷.相反只要其中有一个带电体出现“串种”,如原本a、b、c三个带电体同属一类,而变换参考物后分属两类,则“只存在两种电荷”的结论就不成立.至于分类结果是否和参考物的选择无关,则必须进行进一步的实验研究.大量的实验事实证明,凡是与丝绸摩擦后的玻璃棒相斥的必与橡胶棒相吸,凡是与丝绸摩擦后的玻璃棒相吸引的必与橡胶棒相排斥,即以橡胶棒为参考分得的两类电荷 与以玻璃棒为参考所得的两类电荷完全一样,且A‘=B、B’=A,换用其它参考物也同样如此.这样我们才可得出“自然界只有两种电荷”.另一种实验思路是先以某带电体为参考,把电荷分为两种,再用实验证明：任意两同“种”电荷相排斥,任意两异“种”电荷相吸引（注意这里所说的“种”尚不是一般意义上的种）,那么无论我们选中哪个带电体作为参考物,原本与之同类的电荷将与之相斥,属于一类,而原本与之异类的电荷将与之相吸,必归于另一类,分类结果与原来的完全一致,这样也能看出电荷的分类与参考物的选择无关,从而得出“只存在两种电荷”的结论.