(1.7)-講稿6 -電磁（1）物理史話

講稿講授內(nèi)容備注第4頁(yè)共4頁(yè)引題：上節(jié)課詳細(xì)講述了光學(xué)形成過(guò)程中各位科學(xué)家的卓越貢獻(xiàn)，以及這一完整學(xué)科建立過(guò)程的曲折經(jīng)歷，今天開(kāi)始進(jìn)入下一階段電磁學(xué)史的學(xué)習(xí)歷史概述公元前6、7世紀(jì)發(fā)現(xiàn)了磁石吸鐵、磁石指南以及摩擦生電等1600年英國(guó)醫(yī)生吉爾伯特（WilliamGilbert，1544—1603）發(fā)表了《論磁、磁體和地球作為一個(gè)巨大的磁體》使磁學(xué)從經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)變?yōu)榭茖W(xué)。1663年德國(guó)人格里凱發(fā)明了摩擦起電機(jī)。1750年米切爾（JohnMichell，1724[？]—1793）提出磁極之間的作用力服從平方反比定律1785年庫(kù)侖（1736—1806）庫(kù)侖定律1780年，發(fā)現(xiàn)動(dòng)物電，1800年伏打發(fā)明電堆使電學(xué)由靜電走向動(dòng)電。1820年奧斯特發(fā)現(xiàn)電流的磁效應(yīng)。19世紀(jì)二、三十年代成了電磁學(xué)大發(fā)展的時(shí)期。法國(guó)科學(xué)家安培提出了右手定則，安培定律。與此同時(shí)，比奧沙伐定律也得到發(fā)現(xiàn)。1831年發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象1826年歐姆確定歐姆定律。1865年，麥克斯韋建立電磁場(chǎng)方程組一、早期史1.古代史1）西方史：公元前6、7世紀(jì)古希臘發(fā)現(xiàn)了磁石吸鐵、磁石指南以及摩擦生電等現(xiàn)象，Electricity（電）這個(gè)字的起源就來(lái)自希臘文的“琥珀”(electron)2）我國(guó)史：西漢末年（公元前20年）有玳瑁能夠吸引微小的物體的記載。西晉《博物志》中也有摩擦起電的記載2、吉爾伯特的研究1）吉爾伯特生平：吉爾伯特吉爾伯特（1544～1603）是英國(guó)著名的醫(yī)生、物理學(xué)家。1544年5月24日生在英國(guó)科爾切斯特市一個(gè)大法官家里。于劍橋大學(xué)圣約翰學(xué)院，攻讀醫(yī)學(xué)，獲醫(yī)學(xué)博士學(xué)位。后為英國(guó)名醫(yī)，因醫(yī)術(shù)高明，1601年擔(dān)任英國(guó)女王伊麗莎白一世的御醫(yī)，直到1603年11月30日逝世2）吉爾伯特貢獻(xiàn)：（1）磁性是磁體本身具有的，而電性是需要用摩擦的方法產(chǎn)生（2）磁性有兩種：吸引和排斥，而電性僅僅有吸引（吉爾伯特不知道有排斥）（3）磁石只對(duì)可以磁化的物質(zhì)才有力的作用，而帶電體可以吸引任何輕小物體（4）磁體之間的作用不受中間的紙片、亞麻布等物體的影響，而帶電體之間的作用要受到中間這些物質(zhì)的影響。當(dāng)帶電體浸在水中，電力的作用可以消失，而磁體的磁力在水中不會(huì)消失（5）磁力是一種定向力，而電力是一種移動(dòng)力（6）吉爾伯特制成了第一臺(tái)驗(yàn)電器，（7）并用它證明了離帶電體越近，吸引力越大，還指出電引力沿直線；（8）帶電體被加熱或放在潮濕的空氣中，它的吸引能力就消失了（9）他提出了質(zhì)量、力等新概念3、物體導(dǎo)電性和兩種電荷的發(fā)現(xiàn)1）摩擦起電機(jī)的發(fā)現(xiàn)1663年德國(guó)人格里凱發(fā)明了第一臺(tái)能產(chǎn)生大量電荷的摩擦起電機(jī)。這種摩擦起電機(jī)是一個(gè)可以繞中心軸旋轉(zhuǎn)的大硫磺球，用人手或布帛摸撫轉(zhuǎn)動(dòng)的球體表面，球面上就可以產(chǎn)生大量的電荷。1705年豪克斯比(F.Hauksbee)換成空心玻璃殼，后來(lái)別的實(shí)驗(yàn)家又陸續(xù)予以改進(jìn)，直到18世紀(jì)末，摩擦起電機(jī)都一直是研究電現(xiàn)象的基本工具。2）電流及靜電感應(yīng)的發(fā)現(xiàn)：1720年，格雷(S.Gray，1675—1736)研究了電的傳導(dǎo)現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)體與絕緣體的區(qū)別。隨后，他又發(fā)現(xiàn)導(dǎo)體的靜電感應(yīng)現(xiàn)象。3）兩種電荷：1733年，杜菲(duFay，1698—1739)經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)區(qū)分出兩種電荷，他分別稱(chēng)之為松脂電（即負(fù)電）和玻璃電（即正電），并由此總結(jié)出靜電作用的基本特性：同性相斥，異性相吸。4、電荷的貯存與大氣電現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)1）萊頓瓶的發(fā)現(xiàn)：克萊斯特和森布洛克分別獨(dú)立作出的?？巳R斯特（Kleist，公元1692－1761，荷蘭萊頓大學(xué)的物理學(xué)教授）于1746年做了實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：把電荷投放在玻璃瓶?jī)?nèi)可以把電保存下來(lái)。法國(guó)電學(xué)家諾萊特后來(lái)稱(chēng)其為為萊頓瓶。同年森布洛克((Musschenbrock，1692—1761)，倫敦一位物理學(xué)家考林森通過(guò)郵寄向美國(guó)費(fèi)城的本杰明·富蘭克林贈(zèng)送了一只萊頓瓶，并在信中向他介紹了使用方法。2）正負(fù)電荷、中和：富蘭克林（公元1706一1790）原來(lái)是費(fèi)城的印刷商，他通過(guò)書(shū)本和科學(xué)上的來(lái)往獲得了豐富知識(shí)，他利用萊頓瓶做出的第一項(xiàng)重要工作，是根據(jù)萊頓瓶?jī)?nèi)外兩種電荷的相消性，在杜菲的“玻璃電”和“樹(shù)脂電”的基礎(chǔ)上提出正電和負(fù)電的概念。富蘭克林所做的第二項(xiàng)重要工作是統(tǒng)一了天電和地電。3）正負(fù)電荷、中和：本杰明·富蘭克林（BenjaminFranklin）(1706.1.17—1790.4.17)生平：是18世紀(jì)美國(guó)的實(shí)業(yè)家、科學(xué)家、社會(huì)活動(dòng)家、思想家和外交家。他是美國(guó)歷史上第一位享有國(guó)際聲譽(yù)的科學(xué)家和發(fā)明家。貢獻(xiàn)：1）《論天空閃電和我們的電氣相同》2）“風(fēng)箏實(shí)驗(yàn)”，在電學(xué)上成就顯著，3)創(chuàng)造正電、負(fù)電、導(dǎo)電體、電池、充電、放電等成為世界通用的詞匯。他借用了數(shù)學(xué)上正負(fù)的概念，第一個(gè)科學(xué)地用正電、負(fù)電概念表示電荷性質(zhì)。4)荷不能創(chuàng)生、也不能消滅的思想，后人在此基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)了電荷守恒定律。他最先提出了避雷針的設(shè)想，由此而制造的避雷針二、定量研究的開(kāi)始1、反平方定律的提出1750年彼得堡科學(xué)院院士埃皮努斯在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)；電荷之間的作用隨距離縮短增加。1766年富蘭克林寫(xiě)給普利斯特利（公元1733一1804）的信中，介紹了他在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)在金屬杯中的軟木球完全不受金屬杯電性的影響。1769年，英國(guó)愛(ài)丁堡大學(xué)的約翰·羅比森直接用實(shí)驗(yàn)推測(cè)到了平方反比律。未及時(shí)發(fā)表。英國(guó)科學(xué)家卡文迪許在1772年做了一個(gè)電學(xué)實(shí)驗(yàn)，他用一個(gè)金屬球殼使之帶電，發(fā)現(xiàn)電荷全部分布在球殼的外表面，球腔中任何一點(diǎn)都沒(méi)有電的作用卡文迪許的貢獻(xiàn)卡文迪許(HenryCavendish,1731～1810)英國(guó)化學(xué)家、物理學(xué)家。1742—1748年他在倫敦附近的?？思{學(xué)校讀書(shū)。1749—1753年期間在劍橋彼得豪斯學(xué)院求學(xué)。在倫敦定居后，卡文迪許在他父親的實(shí)驗(yàn)室中當(dāng)助手，做了大量的電學(xué)、化學(xué)研究工作。他的實(shí)驗(yàn)研究持續(xù)達(dá)50年之久。1760年卡文迪許被選為倫敦皇家學(xué)會(huì)成員，1803年被選為法國(guó)研究院的18名外籍會(huì)員之一。1810年3月10日，在倫敦逝世，終身未婚2、庫(kù)侖定律法國(guó)物理學(xué)家?guī)靵觯ü?736—1806），起先致力于扭轉(zhuǎn)和摩擦方面的研究。由于發(fā)表了有關(guān)扭力的論文，1781年當(dāng)選為國(guó)家科學(xué)院院士。他從事研究毛發(fā)和金屬絲的扭轉(zhuǎn)彈性。1784年法國(guó)科學(xué)院發(fā)出船用羅盤(pán)最優(yōu)結(jié)構(gòu)的懸獎(jiǎng)?wù)魑?，?kù)侖轉(zhuǎn)而研究電力和磁力問(wèn)題。1785年庫(kù)侖自制了一臺(tái)精巧的扭秤，作了電的斥力實(shí)驗(yàn)，建立了著名的庫(kù)侖定律：兩電荷之間的作用力與其距離的平方成反比，和兩者所帶電量的乘積成正比。3、伽伐尼電流的發(fā)現(xiàn)1）伽伐尼（公元1737—1798，意大利生理學(xué)家）1780年在解剖青蛙時(shí)偶然發(fā)現(xiàn)了“動(dòng)物電”。伽伐尼將剝?nèi)テさ那嗤芊旁诮饘侔迳?，一位助手把解剖刀的刀尖碰到青蛙腿上的神?jīng)，蛙腿發(fā)生了劇烈的痙攣。另一助手發(fā)現(xiàn)不遠(yuǎn)處的起電機(jī)上發(fā)生了一個(gè)火花。伽伐尼立即重做了這個(gè)實(shí)驗(yàn)，觀察到同樣的現(xiàn)象?？偨Y(jié)出，動(dòng)物體內(nèi)存在著一種特殊的電液，金屬只是起著傳導(dǎo)的作用，這種電液后來(lái)被稱(chēng)為動(dòng)物電或伽伐尼電。4、電池——伏打堆的發(fā)明：1800年伏打給英國(guó)皇家學(xué)會(huì)的一個(gè)報(bào)告中說(shuō)?！盁o(wú)疑你們會(huì)感到驚訝，我所要介紹的裝置，只是用一些不同的導(dǎo)體按一定的方式疊置起來(lái)的裝置。用30片、40片、60片、甚至更多的銅片（當(dāng)然最好的是銀片）將它們中的每一片與一片錫片（最好是鋅片）接觸，然后充一層水或?qū)щ娦阅鼙燃兯玫氖雏}水、堿水等液層，或填上一層用這些液體浸透的紙皮或皮革等，……，就能產(chǎn)生相當(dāng)多的電荷?！狈睾?jiǎn)介伏特（AlessandroVolta)意大利物理學(xué)家，1745年2月18日出生于意大利科莫一個(gè)富有的天主教家庭里。貢獻(xiàn)：起電盤(pán)：用來(lái)使萊頓瓶充電電壓達(dá)13，350伏靜電計(jì)：可重復(fù)的方式測(cè)量電勢(shì)差伏打堆：1791年讀到伽伐尼的到1801年去巴黎，在法國(guó)科學(xué)院表演了他的實(shí)驗(yàn)伏特出生于意大利科莫一個(gè)富有的天主教家庭里，伏特的父親的兄弟有三位擔(dān)任圣職，九個(gè)兒女中五個(gè)加入教會(huì)。十九歲時(shí)他寫(xiě)作了一首關(guān)于化學(xué)發(fā)現(xiàn)的六韻步的拉丁文小詩(shī)十六歲時(shí)開(kāi)始與一些著名的電學(xué)家通信，其中有巴黎的諾萊和都靈的貝卡里亞。貝卡里亞是一位很有成就的國(guó)際知名的電學(xué)家，他勸告伏特少提出理論，多做實(shí)驗(yàn)。他對(duì)電量、電量或張力（如他自己所命名的）、電容以及關(guān)系式Q＝CV都有了明確的了解。伏特制造的儀器的一個(gè)杰出例子是起電盤(pán)[1]。一塊導(dǎo)電板放在一個(gè)由摩擦起電的充電樹(shù)脂"餅"上端，然后用一個(gè)絕緣柄與金屬板接觸，使它接地，再把它舉起來(lái)，于是金屬板就被充電到高電勢(shì)，這個(gè)方法可以用來(lái)使萊頓瓶充電。這種操作可以不斷地重復(fù)。這一發(fā)明是非常精巧的，以后發(fā)展成為一系列靜電起電機(jī)。他設(shè)計(jì)了一種靜電計(jì)，這就是各種絕對(duì)電計(jì)的鼻祖，它能夠以可重復(fù)的方式測(cè)量電勢(shì)差。他還為他的靜電計(jì)建立了一種刻度，根據(jù)電盤(pán)的發(fā)明，根據(jù)他的描述，我們可以確定他的單位是今天的13，350伏。蘇黎世物理學(xué)會(huì)選舉他為會(huì)員，他通過(guò)觀察馬焦雷湖附近沼澤地冒出的氣泡，發(fā)現(xiàn)了沼氣。他在三十二歲時(shí)去瑞士游歷，見(jiàn)到了伏爾泰和一些瑞士物理學(xué)家?；貋?lái)后他被任命為帕維亞大學(xué)物理學(xué)教授，這是倫巴第地區(qū)最著名的大學(xué)。他擔(dān)任這個(gè)教授職務(wù)一直到退休伏特于1792年到了德國(guó)、荷蘭、法國(guó)和英國(guó)。他訪問(wèn)拉普拉斯和拉瓦錫（1743－1794）等，還和他們共同做實(shí)驗(yàn)。他當(dāng)時(shí)還被選為法國(guó)科學(xué)院的通迅院士，不久又被選為倫敦皇家學(xué)會(huì)的外國(guó)會(huì)員。伏特在四十五歲生日后不久，讀到了伽伐尼1791年的文章，在他達(dá)到相當(dāng)高齡（五十五歲）時(shí)發(fā)明電池1801年他去巴黎法國(guó)科學(xué)院表演了他的實(shí)驗(yàn)，當(dāng)時(shí)拿破