電磁現象早期認識

1、1.對電磁現象的早期認識對電磁現象的早期認識先秦先秦:“:“陰陽相薄，感而為雷，激而為陰陽相薄，感而為雷，激而為霆。霆，電也。霆。霆，電也?！惫湃藢⒋攀Q為慈石來形容磁石古人將磁石稱為慈石來形容磁石“以為以為母也，故能引其子母也，故能引其子”的功能。的功能。西周西周( (公元前公元前1100-1100-公元前公元前771)771)青銅銘文青銅銘文就記載有就記載有“電電”字和字和“雷雷”字。字。對對 電電 磁磁 現現 象象 的的 早早 期期 認認 識識1.中國中國2.英國人吉爾伯特（英國人吉爾伯特（1544-1623）論磁論磁:曾為英國伊曾為英國伊麗莎白一世的御麗莎白一世的御醫(yī)，醫(yī)，160016

2、00年發(fā)表年發(fā)表論磁石論磁石，總，總結了前人的經驗，結了前人的經驗，記載了大量實驗。記載了大量實驗。對對 電電 磁磁 現現 象象 的的 早早 期期 認認 識識3.1663年，蓋里克發(fā)明摩擦起電機。年，蓋里克發(fā)明摩擦起電機。4.1720年，格雷研究了電的傳導現象。年，格雷研究了電的傳導現象。5.1733年，杜非分別了兩種電：松脂電和玻璃電。年，杜非分別了兩種電：松脂電和玻璃電。6.1745年，荷蘭人馬森布洛克發(fā)現了萊頓瓶，為年，荷蘭人馬森布洛克發(fā)現了萊頓瓶，為貯存電荷找到了一個方法。貯存電荷找到了一個方法。對對 電電 磁磁 現現 象象 的的 早早 期期 認認 識識對對 電電 磁磁 現現 象象 的

3、的 早早 期期 認認 識識摩擦生電試驗摩擦生電試驗2.富蘭克林對雷電現象的研究富蘭克林對雷電現象的研究1.富蘭克林（富蘭克林（1706-1790）: 美國人美國人在全家在全家1717個孩子個孩子中排行中排行1515，其父是小，其父是小手工業(yè)者，家境貧困。手工業(yè)者，家境貧困。他在他在1010歲時綴學，歲時綴學，1212歲當印刷所學徒，閱歲當印刷所學徒，閱讀了許多書籍，后來讀了許多書籍，后來成為科學家和政治家。成為科學家和政治家。自 己 寫 的 墓 志自 己 寫 的 墓 志銘銘:“:“印刷工富蘭克印刷工富蘭克林林”。富富 蘭蘭 克克 林林 對對 雷雷 電電 現現 象象 的的 研研 究究富蘭克林像富

4、富 蘭蘭 克克 林林 對對 雷雷 電電 現現 象象 的的 研研 究究富蘭克林像從蒼天那里取得了雷電，從蒼天那里取得了雷電，從暴君那里取得了民權。從暴君那里取得了民權。杜爾格（法）杜爾格（法）2.費城實驗費城實驗富蘭克林富蘭克林4040歲時，觀看了電學實驗，歲時，觀看了電學實驗，從而對電有了興趣。其中有一個想法，從而對電有了興趣。其中有一個想法，天上的電和地電是統一的嗎天上的電和地電是統一的嗎? ?富富 蘭蘭 克克 林林 對對 雷雷 電電 現現 象象 的的 研研 究究17521752年年7 7月，一個電閃雷鳴的上月，一個電閃雷鳴的上午，他將一個風箏放到空中，風箏下午，他將一個風箏放到空中，風箏下

5、有一根鐵絲，鐵絲下栓一根麻繩，麻有一根鐵絲，鐵絲下栓一根麻繩，麻繩的下一端拴絲線，繩線接觸處栓了繩的下一端拴絲線，繩線接觸處栓了一把鑰匙。一把鑰匙。風箏實驗圖富富 蘭蘭 克克 林林 對對 雷雷 電電 現現 象象 的的 研研 究究現象現象: :麻繩上的纖維向四周自立，麻繩上的纖維向四周自立，猶如猶如“怒發(fā)沖冠怒發(fā)沖冠” 1749 1749年年1111月月7 7日，他在筆記本中記下了如下日，他在筆記本中記下了如下的結論：的結論：“電流跟閃電在這些特性方面是一致的：電流跟閃電在這些特性方面是一致的：（1 1）發(fā)光；（）發(fā)光；（2 2）光的顏色；（）光的顏色；（3 3）彎曲的方向；）彎曲的方向；（4

6、4）快速運動；（）快速運動；（5 5）被金屬傳導；）被金屬傳導；（6 6）在爆發(fā)時發(fā)出霹靂聲或噪聲；）在爆發(fā)時發(fā)出霹靂聲或噪聲；（7 7）在水中或冰里存在；）在水中或冰里存在；（8 8）劈裂了它所通過的物體；）劈裂了它所通過的物體；（9 9）殺死動物；（）殺死動物；（1010）溶化金屬；）溶化金屬；（1111）使易燃物著火；（）使易燃物著火；（1212）含有硫磺氣味）含有硫磺氣味”。 銅鑰匙可以給萊頓瓶充電，與摩擦電性質銅鑰匙可以給萊頓瓶充電，與摩擦電性質完全相同。完全相同。富蘭克林的工作，揭開了雷電的奧秘，統富蘭克林的工作，揭開了雷電的奧秘，統一了一了“天電天電”和和“地電地電”，震驚了科學

7、界。，震驚了科學界。富富 蘭蘭 克克 林林 對對 雷雷 電電 現現 象象 的的 研研 究究*小插曲小插曲：為了驗證：為了驗證“地電地電”與與“天電天電”的相同的相同處，富蘭克林想到雷可以擊死動物，于處，富蘭克林想到雷可以擊死動物，于是他就實驗用是他就實驗用“地電地電”去擊殺火雞，結去擊殺火雞，結果被電打昏了。蘇醒后，卻不介意地說：果被電打昏了。蘇醒后，卻不介意地說：“我本想用電殺死一只火雞，結果差點我本想用電殺死一只火雞，結果差點電死了一個傻瓜。電死了一個傻瓜?！比欢?，風險是的確存在的。然而，風險是的確存在的。17531753年，俄年，俄國的里赫曼在做大氣電實驗時不幸中電身亡，國的里赫曼在做大

8、氣電實驗時不幸中電身亡，為科學獻身。為科學獻身。富富 蘭蘭 克克 林林 對對 雷雷 電電 現現 象象 的的 研研 究究富蘭克林并不滿足，將他的發(fā)現轉化為了富蘭克林并不滿足，將他的發(fā)現轉化為了新的發(fā)明。新的發(fā)明。避雷針避雷針誕生了。誕生了。4.科學興趣廣泛科學興趣廣泛命名了正電，負電，發(fā)現了電荷守恒定律，命名了正電，負電，發(fā)現了電荷守恒定律，研究了火爐的改良，植物的移植，傳染病的防研究了火爐的改良，植物的移植，傳染病的防治。治。寫出了寫出了電學的實驗和研究電學的實驗和研究的著作。的著作。富富 蘭蘭 克克 林林 對對 雷雷 電電 現現 象象 的的 研研 究究3.發(fā)明避雷針發(fā)明避雷針5.獨立宣言和美

9、國憲法的起草人之一，為祖國的獨立宣言和美國憲法的起草人之一，為祖國的獨立和解放作出了貢獻的政治活動家。獨立和解放作出了貢獻的政治活動家。一一.類比法的成功類比法的成功二二.庫侖的引力實驗庫侖的引力實驗三三.卡文迪許的工作卡文迪許的工作3.從定性到定量從定性到定量庫侖定律的發(fā)現庫侖定律的發(fā)現1.普利斯特利（普利斯特利（1733-1804）: 德國人，氧氣的發(fā)德國人，氧氣的發(fā)現者，化學家?，F者，化學家。用絲線將一小塊軟木懸掛在帶電金屬罐外用絲線將一小塊軟木懸掛在帶電金屬罐外的附近，軟木受到吸引。但把它懸掛在罐內時，的附近，軟木受到吸引。但把它懸掛在罐內時，不論在罐內何處，它都不受電力。不論在罐內何

10、處，它都不受電力。從從 定定 性性 到到 定定 量量 - - 庫庫 侖侖 定定 律律 的的 發(fā)發(fā) 現現2.富蘭克林的空罐實驗富蘭克林的空罐實驗一一.類比法的成功類比法的成功當富蘭克林寫信將這一現象告之普利斯特當富蘭克林寫信將這一現象告之普利斯特利后，普氏想到利后，普氏想到:1687:1687年牛頓曾證明年牛頓曾證明: :萬有引力萬有引力若服從平方反比定律，則均勻的物質球殼對殼若服從平方反比定律，則均勻的物質球殼對殼內物體應無作用。內物體應無作用。普利斯特利將空罐實驗與牛頓推理類比，普利斯特利將空罐實驗與牛頓推理類比，聯想到電力也表現了這種特性，所以也應遵從聯想到電力也表現了這種特性，所以也應遵

11、從平方反比定律。平方反比定律。從從 定定 性性 到到 定定 量量 - - 庫庫 侖侖 定定 律律 的的 發(fā)發(fā) 現現1.庫侖（庫侖（1736-1806）:法國人，當過法法國人，當過法國部隊的技術軍國部隊的技術軍官，后被選為法官，后被選為法國科學院院士。國科學院院士。從從 定定 性性 到到 定定 量量 - - 庫庫 侖侖 定定 律律 的的 發(fā)發(fā) 現現庫侖像二二.庫侖的引力實驗庫侖的引力實驗2.庫侖的扭秤實驗庫侖的扭秤實驗金 屬 絲 的金 屬 絲 的扭力正比于扭扭力正比于扭轉角，將扭絲轉角，將扭絲懸掛起來，可懸掛起來，可以測萬分之一以測萬分之一格令的小力，格令的小力，17851785年庫侖據年庫侖據

12、此制成電秤，此制成電秤，以測定電力。以測定電力。從從 定定 性性 到到 定定 量量 - - 庫庫 侖侖 定定 律律 的的 發(fā)發(fā) 現現圖圖為為庫庫侖侖扭扭秤秤實實驗驗裝裝置置3.庫侖定律庫侖定律 221rqqKf 萬有引力定律萬有引力定律2210rmmGf 從從 定定 性性 到到 定定 量量 - - 庫庫 侖侖 定定 律律 的的 發(fā)發(fā) 現現 庫侖借鑒了萬有引力定律，采用庫侖借鑒了萬有引力定律，采用類比的方法，得出了電荷之間相互作類比的方法，得出了電荷之間相互作用力的關系，并正式以庫侖定律形式用力的關系，并正式以庫侖定律形式發(fā)表于發(fā)表于17851785年年關于電學和磁學的第關于電學和磁學的第一篇科

13、學論文一篇科學論文中：中：“兩個帶同性電兩個帶同性電荷小球的斥力與兩球心之間的距離平荷小球的斥力與兩球心之間的距離平方成反比，和兩者所帶電量的乘積成方成反比，和兩者所帶電量的乘積成正比。正比?！?” 從史料分析可以看出，庫侖事先己有從史料分析可以看出，庫侖事先己有了平方反比思想的框架，原因之一、庫侖了平方反比思想的框架，原因之一、庫侖雖然直接測量了電荷之間作用力與距離的雖然直接測量了電荷之間作用力與距離的關系，但精確度畢竟有限，如果用平方反關系，但精確度畢竟有限，如果用平方反比關系表示比關系表示 ，其中指數偏差，其中指數偏差可達可達0.040.04。如果庫侖不是先有平方反比的。如果庫侖不是先有

14、平方反比的概念，他為什么不用概念，他為什么不用 或或 來來表示呢？表示呢？ 21rF04. 21rF 96. 11rF 原因之二、庫侖并沒有改變電量進原因之二、庫侖并沒有改變電量進行測量，顯然他是在模仿萬有引力定律，行測量，顯然他是在模仿萬有引力定律，認為電力分別與相互作用的兩個電荷量認為電力分別與相互作用的兩個電荷量成正比，就如同萬有引力分別與相互作成正比，就如同萬有引力分別與相互作用的兩個物體的質量成正比一樣。庫侖用的兩個物體的質量成正比一樣。庫侖如實地發(fā)表了實驗結果。不過，他在行如實地發(fā)表了實驗結果。不過，他在行文中用了如下詞匯：文中用了如下詞匯：“非常接近非常接近16411641，可見

15、，磁力和距離的平方成，可見，磁力和距離的平方成反比反比”。這里明顯留下了與萬有引力定。這里明顯留下了與萬有引力定律類比的跡象。律類比的跡象。 庫侖把類比方法應用于電力和磁力的研究，庫侖把類比方法應用于電力和磁力的研究，從而建立了從而建立了庫侖定律的庫侖定律的平方反比概念。如果不平方反比概念。如果不是先有萬有引力定律的發(fā)現，單靠實驗具體數是先有萬有引力定律的發(fā)現，單靠實驗具體數據的積累得到庫侖定律的困難是可以想像的。據的積累得到庫侖定律的困難是可以想像的。 庫侖扭秤實驗在電學發(fā)展史上有著重要的地庫侖扭秤實驗在電學發(fā)展史上有著重要的地位，它是人們對電現象的研究從定性階段進入位，它是人們對電現象的研

16、究從定性階段進入定量階段的轉折點。同時，庫侖扭秤實驗，標定量階段的轉折點。同時，庫侖扭秤實驗，標志著人類進入了弱力測量的新時代。志著人類進入了弱力測量的新時代。 庫侖定律的建立使電磁學進入了定量的研究，庫侖定律的建立使電磁學進入了定量的研究，使電磁學真正成為一門科學，數學的引入，使使電磁學真正成為一門科學，數學的引入，使這門科學更錦上添花。這門科學更錦上添花。從從 定定 性性 到到 定定 量量 - - 庫庫 侖侖 定定 律律 的的 發(fā)發(fā) 現現卡文迪許（卡文迪許（1731-1810）:英國人，萬英國人，萬有引力的驗證人。有引力的驗證人。他比歐姆更早發(fā)現他比歐姆更早發(fā)現歐姆定律，比庫侖歐姆定律，比

17、庫侖用扭秤測電力早用扭秤測電力早1111年年。他也設計了庫他也設計了庫侖定律的實驗，但侖定律的實驗，但未發(fā)表。未發(fā)表。從從 定定 性性 到到 定定 量量 - - 庫庫 侖侖 定定 律律 的的 發(fā)發(fā) 現現卡文迪許像卡文迪許像三三.卡文迪許的工作卡文迪許的工作圖為卡文迪許用兩個同心金屬球殼做實驗的裝置 卡文迪許得出卡文迪許得出n n2 22 21/501/50，指數偏差，指數偏差不超過不超過0.020.02?？ㄎ牡鲜策@個實驗的設計相當巧妙?？ㄎ牡鲜策@個實驗的設計相當巧妙。他用的是當年最原始的電測儀器，卻獲得了相當可靠他用的是當年最原始的電測儀器，卻獲得了相當可靠而且精確的結果。而且精確的結果。 大

18、約大約100100年以后，麥克斯韋年以后，麥克斯韋（Maxwell James Maxwell James ClerkClerk，1831183118791879）在劍橋完成了一個同卡文迪什實在劍橋完成了一個同卡文迪什實驗相類似的實驗，得到驗相類似的實驗，得到的上限為的上限為1/216001/21600。19361936年，年，S.J.S.J.普林頓和普林頓和 W.E.W.E.勞頓的實驗給出勞頓的實驗給出221010-9-9。最近的一個結果是。最近的一個結果是 E.R.E.R.威廉斯、威廉斯、J.E.J.E.費勒費勒和和H.A.H.A.希爾在希爾在 19711971年提供的，他們求得年提供的，

19、他們求得的極限的極限值為值為(2.7(2.73.1)3.1)1010-16-16。 直到直到1919世紀中葉，開爾文勛爵（世紀中葉，開爾文勛爵（KelvinKelvin）發(fā)現）發(fā)現卡文迪什的手稿，才注意到這些手稿的價值，卡文迪什的手稿，才注意到這些手稿的價值，18791879年由麥克斯韋整理發(fā)表?？ㄎ牡鲜驳脑S多重年由麥克斯韋整理發(fā)表?？ㄎ牡鲜驳脑S多重要發(fā)現竟埋藏了一百年之久。要發(fā)現竟埋藏了一百年之久。18791879年，麥克斯韋年，麥克斯韋出版了一本題為出版了一本題為“尊敬的亨利尊敬的亨利卡文迪許的電學卡文迪許的電學研究研究”的書，才把卡文迪許的工作公布于世麥的書，才把卡文迪許的工作公布于世麥

20、克斯韋在書中說：克斯韋在書中說：“這些論文證明卡文邊許幾乎這些論文證明卡文邊許幾乎預料到電學上所有的偉大事實，這些偉大的事實預料到電學上所有的偉大事實，這些偉大的事實后來通過庫侖和法國哲學家們的著作而聞名于科后來通過庫侖和法國哲學家們的著作而聞名于科學界學界”。著名的法國電學家比奧（。著名的法國電學家比奧（Jean Jean Baptiste BiotBaptiste Biot）聲稱：卡文迪什）聲稱：卡文迪什“是所有有學是所有有學問的人中最富有的，是所有有錢人中最有學問問的人中最富有的，是所有有錢人中最有學問的。的?！钡谄叽挛目す舻谄叽挛目す敉ㄎ牡显S卡文迪許威廉威廉卡文迪什是卡

21、文迪什卡文迪什是卡文迪什家族史上的兩位最杰出的科學家族史上的兩位最杰出的科學家之一。他生于家之一。他生于18051805年，其父年，其父為第四代德文郡公爵，他繼承為第四代德文郡公爵，他繼承了祖父的伯靈頓伯爵爵位，并了祖父的伯靈頓伯爵爵位，并進入上議院，成為輝格黨議員。進入上議院，成為輝格黨議員。18581858年他的堂兄第六代德文郡年他的堂兄第六代德文郡公爵去世后，他又繼承了其公公爵去世后，他又繼承了其公爵爵位和卡文迪什家族的財產。爵爵位和卡文迪什家族的財產。威廉深知經營之道而獲得巨額威廉深知經營之道而獲得巨額財富，成為財富，成為1919世紀英國最大的世紀英國最大的工業(yè)巨頭之一，與韋靈頓公爵工

22、業(yè)巨頭之一，與韋靈頓公爵并稱為并稱為“鐵公爵鐵公爵”。老卡文迪許實驗室老卡文迪許實驗室劍橋的環(huán)境幽劍橋的環(huán)境幽靜，建筑優(yōu)靜，建筑優(yōu)雅雅18711871年，在年，在劍橋的劍橋的“自由學自由學校巷校巷”里，又新里，又新建了一幢三樓的建了一幢三樓的實驗室這是在實驗室這是在英國公爵狄英國公爵狄馮馮夏爾卡爾迪夏爾卡爾迪許的資助下興建許的資助下興建起來的世界上最起來的世界上最早的現代物理實早的現代物理實驗室，以后就被驗室，以后就被稱為稱為“卡文迪許卡文迪許實驗室實驗室” ?？ㄎ牡鲜矊嶒炇抑魅危ㄎ牡鲜矊嶒炇抑魅危?）卡文迪什實驗室主任（卡文迪什實驗室主任（2）卡文迪什實驗室主任（卡文迪什實驗室主任（3）N

23、.F.莫特莫特卡文迪什實驗室主任（卡文迪什實驗室主任（4）A.B.派帕德派帕德S.F.愛德華茲愛德華茲R.H.弗倫德弗倫德麥克斯韋在卡文迪許麥克斯韋在卡文迪許實驗室中使用過的儀器實驗室中使用過的儀器麥克斯韋設計的麥克斯韋設計的階梯教室階梯教室從從 定定 性性 到到 定定 量量 - - 庫庫 侖侖 定定 律律 的的 發(fā)發(fā) 現現新卡文迪許實驗室新卡文迪許實驗室新卡文迪許實驗室近景新卡文迪許實驗室近景舊蒙德實驗室門上的鱷魚浮雕舊蒙德實驗室門上的鱷魚浮雕悠靜的劍橋悠靜的劍橋一一.伽伐尼的研究伽伐尼的研究二二.伏打的伏打的“金屬接觸說金屬接觸說”三三.歐姆定律歐姆定律4.由靜電到動電由靜電到動電電流的發(fā)

24、現電流的發(fā)現17801780年他與學生解剖青蛙，發(fā)現電火花年他與學生解剖青蛙，發(fā)現電火花會使蛙腿抽搐，后來他又發(fā)現當用銅鉤倒掛會使蛙腿抽搐，后來他又發(fā)現當用銅鉤倒掛蛙腿，再用鐵梁橫挑，蛙腿也會痙攣。蛙腿，再用鐵梁橫挑，蛙腿也會痙攣。17911791年發(fā)表了論文年發(fā)表了論文論肌肉運動中的電論肌肉運動中的電力力。 他是發(fā)現電流的第一人，但認為是一種動他是發(fā)現電流的第一人，但認為是一種動物電。物電。由由 靜靜 電電 到到 動動 電電 - - 電電 流流 的的 發(fā)發(fā) 現現一一.伽伐尼（伽伐尼（1737-1798）的研究）的研究:意大利人，解意大利人，解剖學教授剖學教授 伽伐尼在伽伐尼在17911791

25、年用拉丁文發(fā)表了題為年用拉丁文發(fā)表了題為論論肌肉運動中的電力肌肉運動中的電力的文章立即引起了科學界的文章立即引起了科學界的注目和認真研究。的注目和認真研究。 圖為伽伐尼關于生物電的研究圖為伽伐尼關于生物電的研究 1.伏打伏打(1737-1798):意意大利帕維大學教授，大利帕維大學教授，否定了伽伐尼動物否定了伽伐尼動物說。他認為，電來說。他認為，電來自兩種不同金屬的自兩種不同金屬的接觸，青蛙只不過接觸，青蛙只不過是起了驗電器的作是起了驗電器的作用。用。由由 靜靜 電電 到到 動動 電電 - - 電電 流流 的的 發(fā)發(fā) 現現伏打像伏打像二二.伏打的伏打的“金屬接觸說金屬接觸說” 伏打將不同的金屬排成一個序列，其次序伏打將不同的金屬排成一個序列，其次序如下：鋅、錫、鉛、銅、銀、金如下：鋅、錫、鉛、銅、銀、金這就是著這就是著名的伏打序列。名的伏打序列。 圖為圖為伏打在伏打在科學院科學院演示伏演示伏打電堆打電堆 由由 靜靜 電電 到到 動動 電電 - - 電