高中物理人教大綱版第二冊(cè)：16.2 法拉第電磁感應(yīng)定律─感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大?。▊湔n資料）

1、備課資料一、法拉第生平簡介法拉第(Faraday,Michael， 1791年9月22日1867年8月25日,英國)出生于英國倫敦一個(gè)貧寒的鐵匠家庭,小時(shí)候難得溫飽,只受過一點(diǎn)點(diǎn)“讀、寫、算的啟蒙教育”，便沒有機(jī)會(huì)上學(xué).據(jù)他自己后來說：“1804年我十三歲時(shí)，進(jìn)入一家售書兼裝訂書的商店，在那里待了八年，主要時(shí)間是裝訂書籍.我就是在工作之余，從這些書里開始找到我的哲學(xué).這些書中有兩部對(duì)我特別有幫助，一是大英百科全書，我從它那里第一次得到電的概念；另一部是馬塞夫人（Mrs Marcet)的化學(xué)談話，它給了我這門科學(xué)基礎(chǔ).”他甚至省吃儉用，買點(diǎn)器具自己做簡單的化學(xué)和電學(xué)實(shí)驗(yàn).1810年，他經(jīng)人介紹參

2、加“市哲學(xué)會(huì)”，該會(huì)領(lǐng)導(dǎo)人塔特姆（Tatum,J.)每周講一次自然哲學(xué)，內(nèi)容包括電學(xué)、力學(xué)、光學(xué)、化學(xué)、天文學(xué)、實(shí)驗(yàn)等,并向與會(huì)者開放他的圖書.法拉第共聽了十二講,在此受到了初步的科學(xué)教育.有一次,店里的顧客給了他一張票,去聽皇家研究院主任戴維(Davy,H.17781829,英)教授講化學(xué),他仔細(xì)聽講、做筆記,并整理出來向市哲學(xué)會(huì)傳達(dá).1812年10月,他學(xué)徒期滿,給人做裝訂工,試用時(shí)關(guān)系不好,不久就失業(yè).這時(shí),戴維因做化學(xué)實(shí)驗(yàn)炸傷了眼睛,法拉第被推薦給他當(dāng)了一段時(shí)間的抄寫員.一方面因?yàn)樯罾щy,另一方面也由于向往科學(xué),他把他聽戴維演講時(shí)整理的筆記,送給戴維,請(qǐng)求戴維幫他在皇家研究院安排一個(gè)

3、工作.戴維對(duì)他很滿意,但一時(shí)無法幫助他.到次年2月,皇家研究院空出一個(gè)助手職位,戴維立即派人去找法拉第.于是在1813年3月1日,法拉第就開始做戴維的助手,在實(shí)驗(yàn)室干雜事.1813年10月,戴維應(yīng)邀到歐洲大陸各國作學(xué)術(shù)訪問,帶法拉第同行.在歐洲大陸一年半,戴維會(huì)見了當(dāng)時(shí)很多著名科學(xué)家,談到了科學(xué)各領(lǐng)域里的許多問題,使法拉第大開眼界,他如饑似渴地吸收各種新知識(shí).1815年4月回到倫敦后,在戴維的指導(dǎo)和鼓勵(lì)下,法拉第專心致志地工作和學(xué)習(xí),很快就成長起來,能獨(dú)立地在科學(xué)前線做研究工作，開始是研究化學(xué).從1816年到1819年,共發(fā)表了三十七篇論文,到1820年,已是一位小有名氣的化學(xué)家了.大約在18

4、21年初,他開始研究電磁學(xué),同年9月發(fā)明電動(dòng)機(jī);十年后發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)和發(fā)明發(fā)電機(jī),并提出磁場的概念.法拉第于1824年成為英國皇家學(xué)會(huì)會(huì)員,1825年任皇家研究院實(shí)驗(yàn)室主任,1833年升為教授.他在實(shí)驗(yàn)室工作了近五十年,在電磁學(xué)、光學(xué)和化學(xué)等領(lǐng)域里都做出了許多極為重要的貢獻(xiàn),曾兩度獲得英國皇家學(xué)會(huì)的獎(jiǎng)?wù)?從1820年9月起到1862年3月止,他對(duì)所從事的實(shí)驗(yàn)研究工作都有詳細(xì)的記錄;這些記錄,他遺贈(zèng)給皇家研究院,經(jīng)后人整理出版,共七大卷,三千多頁,這就是有名的法拉第日記，他在實(shí)驗(yàn)上的重要發(fā)現(xiàn),都可以在其中找到.此外,他所發(fā)表的關(guān)于電磁學(xué)的論文,匯成三大卷電學(xué)的實(shí)驗(yàn)研究,是電磁學(xué)歷史上的巨著.法拉第

5、還熱心科學(xué)普及工作,從1825年開始,為了籌措研究經(jīng)費(fèi)和普及科學(xué)知識(shí),他創(chuàng)辦了星期五晚間的演講,到他退休為止,他共講了一百多次,對(duì)英國上層社會(huì)的科學(xué)教育起了重要作用.還有,他為青少年作的圣誕演講,有些也很著名,如1860年1861年講的蠟燭的故事就曾被譯成多種文字(我國上海少年兒童出版社于1962年出版了漢譯本).法拉第為人和藹、文雅、謙虛而自尊,熱愛大自然的美,過著簡單而樸素的生活.他多次謝絕升官發(fā)財(cái)?shù)臋C(jī)會(huì),全心全意地把自己的一生奉獻(xiàn)給科學(xué)研究事業(yè).三十歲時(shí),與市哲學(xué)會(huì)一位會(huì)員的妹妹結(jié)婚,夫人賢惠,婚姻美滿,但沒有孩子.由于他在科學(xué)上的偉大貢獻(xiàn),1858年,維多利亞女王賜給他一棟房子,他就在

6、此安度晚年.一個(gè)出身很苦,沒有受過正規(guī)教育的人,經(jīng)過自己的努力,登上了當(dāng)時(shí)科學(xué)的最高峰,創(chuàng)造了豐功偉績,對(duì)人類做出了巨大貢獻(xiàn),這在歷史上是少有的.法拉第是不朽的.為了紀(jì)念他對(duì)電磁學(xué)做出的貢獻(xiàn),1881年在巴黎召開的第一屆國際電學(xué)會(huì)議決定,用他的姓氏作為電容的單位.二、韋伯威廉·愛德華·韋伯（Wilhelm Eduard Weber)1804年10月14日生于德國維藤堡大學(xué)的一位神學(xué)教授家庭.1828年在一次德國科學(xué)大會(huì)上由于宣讀題為“風(fēng)琴拍頻的補(bǔ)償”的文章，受到科學(xué)家洪堡和高斯的注意.1831年被洪堡和高斯推薦擔(dān)任格丁根大學(xué)物理教授，接替即將病故的邁耶教授職務(wù)，并從此開始與

7、高斯合作研究電磁學(xué).1832年，高斯在韋伯協(xié)助下提出了磁學(xué)量的絕對(duì)單位.1833年，他們發(fā)明了第一臺(tái)有線電報(bào)機(jī).韋伯在電磁學(xué)上的貢獻(xiàn)是多方面的.為了進(jìn)行研究,他發(fā)明了許多電磁儀器.1841年發(fā)明了既可測量地磁強(qiáng)度又可測量電流強(qiáng)度的絕對(duì)電磁學(xué)單位的雙線電流表;1846年發(fā)明了既可用來確定電流強(qiáng)度的電動(dòng)力學(xué)單位又可用來測量交變電流功率的電功率表;1853年發(fā)明了測量地磁強(qiáng)度垂直分量的地磁感應(yīng)器.韋伯在建立電學(xué)單位的絕對(duì)測量方面卓有成效.他提出了電流強(qiáng)度、電荷量和電動(dòng)勢(shì)的絕對(duì)單位和測量方法；根據(jù)安培的電動(dòng)力學(xué)公式提出了電流強(qiáng)度的電動(dòng)力學(xué)單位；還提出了電阻的絕對(duì)單位.韋伯與柯爾勞施合作測定了電荷量的電

8、磁單位對(duì)靜電單位的比值,發(fā)現(xiàn)這個(gè)比值等于3×108 m/s,接近于光速.但是他們沒有注意到這個(gè)聯(lián)系.1891年6月23日,韋伯在格丁根去世.三、感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的本質(zhì)在電磁感應(yīng)現(xiàn)象中,由于引起磁通量變化的原因不同,產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的機(jī)理也不同,按非靜電力的本質(zhì)分為兩種:一種是磁場不變,導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)引起磁通量變化而產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),這種電動(dòng)勢(shì)叫做動(dòng)生電動(dòng)勢(shì).另一種是導(dǎo)體不動(dòng),由于磁場變化引起磁通量變化而產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),這種電動(dòng)勢(shì)叫做感生電動(dòng)勢(shì). (1)動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)導(dǎo)線在磁場中運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)生電動(dòng)勢(shì),是由于導(dǎo)體中自由電子受到洛倫茲力的作用引起的.如圖所示,在勻強(qiáng)磁場B中,一段直導(dǎo)線CD以速度v做平

9、動(dòng)運(yùn)動(dòng).這時(shí)導(dǎo)線帶動(dòng)其中的自由電子以速度v運(yùn)動(dòng),導(dǎo)線中每個(gè)電子受到的洛倫茲力為F=evBF的方向豎直向下.在力F的作用下,自由電子沿導(dǎo)線向下運(yùn)動(dòng),使導(dǎo)體下端出現(xiàn)過剩的負(fù)電荷,導(dǎo)體上端出現(xiàn)過剩的正電荷.結(jié)果導(dǎo)體上端的電勢(shì)高于下端的電勢(shì),形成由上端D指向下端C的靜電場.這個(gè)電場對(duì)導(dǎo)體中電子的靜電力F向上,與洛倫茲力的方向相反.這兩個(gè)力互相平衡時(shí),電子不再向下運(yùn)動(dòng),這時(shí)導(dǎo)體兩端就有了一定的電勢(shì)差,這就是感應(yīng)電動(dòng)勢(shì).如果用另外的導(dǎo)線把CD兩端連接起來,連接導(dǎo)線中的自由電子便在靜電力的作用下定向移動(dòng)形成電流,這就是感應(yīng)電流.自由電子沿連接導(dǎo)線的定向移動(dòng)使CD兩端積累的電荷減少,洛倫茲力又不斷地使電子向下

10、移動(dòng),從而在CD兩端維持一個(gè)穩(wěn)定的電動(dòng)勢(shì).這里,形成電動(dòng)勢(shì)的非靜電力是洛倫茲力.(2)感生電動(dòng)勢(shì)導(dǎo)線不動(dòng),磁場隨時(shí)間變化時(shí)在導(dǎo)線中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)叫感生電動(dòng)勢(shì).由于導(dǎo)線不動(dòng),不可能有洛倫茲力作用于導(dǎo)體中的電子.但是麥克斯韋指出,變化的磁場在周圍空間產(chǎn)生渦旋電場.渦旋電場對(duì)電荷也有力的作用,正是這種渦旋電場使導(dǎo)體中產(chǎn)生感生電動(dòng)勢(shì).也就是說,渦旋電場產(chǎn)生的電場力作為一種非靜電力在導(dǎo)體中產(chǎn)生感生電動(dòng)勢(shì).(3)動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)與感生電動(dòng)勢(shì)一般情況下的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)既有動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)也有感生電動(dòng)勢(shì).我們利用洛倫茲力的概念,動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象得到了滿意的解釋.感生電動(dòng)勢(shì)是一種新的現(xiàn)象,電磁感應(yīng)現(xiàn)象中特別重要的是發(fā)現(xiàn)感生電動(dòng)勢(shì),發(fā)現(xiàn)隨時(shí)間變化的磁場能產(chǎn)生渦旋電場.動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)與感生電動(dòng)勢(shì)本質(zhì)不同,但有時(shí)把感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)