(1.8)-講稿7-電磁（2）物理史話

講稿講授內(nèi)容備注第2頁(yè)共5頁(yè)引題：上節(jié)課詳細(xì)講述了人類認(rèn)識(shí)電磁現(xiàn)象經(jīng)歷的曲折過(guò)程，今天開(kāi)始進(jìn)入下一階段的學(xué)習(xí)電磁場(chǎng)理論建立過(guò)程一、電磁聯(lián)系的發(fā)現(xiàn)1、電流磁效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)丹麥物理學(xué)家?jiàn)W斯特（公元1777—1851）首次發(fā)現(xiàn)電流磁效應(yīng)，揭開(kāi)了電和磁兩種現(xiàn)象的內(nèi)在聯(lián)系，從此開(kāi)始了電磁學(xué)的真正研究。1820年4月在一根根細(xì)的鉑絲導(dǎo)線的下面放一個(gè)用玻璃罩罩著的小磁針，用伽伐尼電池將鉑絲通電，他發(fā)現(xiàn)磁針偏轉(zhuǎn)，這現(xiàn)象雖然未引起聽(tīng)講人的注意，卻使他非常激動(dòng)！奧斯特花了三個(gè)月的時(shí)間作了六十多個(gè)有關(guān)實(shí)驗(yàn)1820年7月發(fā)表了題為《電的沖突對(duì)磁針的作用的一些實(shí)驗(yàn)》的論文，向科學(xué)界宣布了“電流的磁效應(yīng)”。奧斯特奧斯特（公元1777—1851）丹麥物理學(xué)家1777年8月14日生于一個(gè)藥劑師家庭1794年考入哥本哈根大學(xué)1799年獲博士學(xué)位1801～1803年去德、法等國(guó)訪問(wèn)，結(jié)識(shí)了許多物理學(xué)家及化學(xué)家1806年起任哥本哈根大學(xué)物理學(xué)教授1815年起任丹麥皇家學(xué)會(huì)常務(wù)秘書(shū)1820年因電流磁效應(yīng)這一杰出發(fā)現(xiàn)獲英國(guó)皇家學(xué)會(huì)科普利獎(jiǎng)?wù)?829年起任哥本哈根工學(xué)院院長(zhǎng)1851年3月9日在哥本哈根逝世貢獻(xiàn)1820年發(fā)現(xiàn)電流的磁效應(yīng)奧斯特曾經(jīng)對(duì)化學(xué)親合力等作了研究。1822年他精密地測(cè)定了水的壓縮系數(shù)值，論證了水的可壓縮性。1823年他還對(duì)溫差電作出了成功的研究。對(duì)庫(kù)侖扭秤也作了一些重要的改進(jìn)。在1825年最早提煉出鋁，但純度不高，以致這項(xiàng)成就在冶金史上歸屬于德國(guó)化學(xué)家F.維勒(1827)。他最后一項(xiàng)研究是40年代末期對(duì)抗磁體的研究，試圖用反極性的反感應(yīng)效應(yīng)來(lái)解釋物質(zhì)的抗磁性。同一時(shí)期M.法拉第在這方面的成就超過(guò)了奧斯特及其法國(guó)的同輩。出版了《奧斯特科學(xué)論文》集設(shè)立奧斯特獎(jiǎng)?wù)聤W斯特的功績(jī)受到了學(xué)術(shù)界的公認(rèn)，為了紀(jì)念他，國(guó)際上從1934年起命名磁場(chǎng)強(qiáng)度的單位為奧斯特，簡(jiǎn)稱“奧”。1937年美國(guó)物理教師協(xié)會(huì)還專門(mén)設(shè)立了奧斯特獎(jiǎng)?wù)拢瑏?lái)獎(jiǎng)勵(lì)教學(xué)有成績(jī)的優(yōu)秀物理教師。2、安培定律與分子電流假說(shuō)安培(Andre-MarieAmpere,1775-1836)法國(guó)物理學(xué)家，出生于里昂附近一個(gè)商人家庭少年時(shí)代就具備非凡記憶力和的數(shù)學(xué)才能，完全靠自學(xué)而獲得自然科學(xué)、哲學(xué)、歷史和文學(xué)等方面的豐富知識(shí)。1799年起擔(dān)任教學(xué)工作同時(shí)對(duì)數(shù)學(xué)進(jìn)行系統(tǒng)的研究1808年擔(dān)任法國(guó)帝國(guó)大學(xué)總督學(xué)1809年成為巴黎工藝大學(xué)數(shù)學(xué)教授1814年成為法國(guó)科學(xué)院院土1824年擔(dān)任法蘭西學(xué)院實(shí)驗(yàn)物理學(xué)教授1827年被選為英國(guó)皇家學(xué)會(huì)會(huì)員。安培最主要的成就（1820—1827年）①發(fā)現(xiàn)了安培定則得知奧斯特發(fā)現(xiàn)電流磁效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)兩周后就提出了磁針轉(zhuǎn)動(dòng)方向和電流方向的關(guān)系及從右手定則的報(bào)告，以后這個(gè)定則被命名為安培定則②發(fā)現(xiàn)電流的相互作用規(guī)律提出了電流方向相同的兩條平行載流導(dǎo)線互相吸引，電流方向相反的兩條平行載流導(dǎo)線互相排斥。對(duì)兩個(gè)線圈之間的吸引和排斥也作了討論③發(fā)明了電流計(jì)安培還發(fā)現(xiàn)，電流在線圈中流動(dòng)的時(shí)候表現(xiàn)出來(lái)的磁性和磁鐵相似，創(chuàng)制出第一個(gè)螺線管，在這個(gè)基礎(chǔ)上發(fā)明了探測(cè)和量度電流的電流計(jì)④提出分子電流假說(shuō)他根據(jù)磁是由運(yùn)動(dòng)的電荷產(chǎn)生的這一觀點(diǎn)來(lái)說(shuō)明地磁的成因和物質(zhì)的磁性。提出了著名的分子電流假說(shuō)。⑤總結(jié)了電流元之間的作用規(guī)律——安培定律安培做了關(guān)于電流相互作用的四個(gè)精巧的實(shí)驗(yàn)，并運(yùn)用高度的數(shù)學(xué)技巧總結(jié)出電流元之間作用力的定律，描述兩電流元之間的相互作用同兩電流元的大小、間距以及相對(duì)取向之間的關(guān)系。后來(lái)人們把這定律稱為安培定律。安培第一個(gè)把研究動(dòng)電的理論稱為“電動(dòng)力學(xué)”1827年安培將他的電磁現(xiàn)象的研究綜合在《電動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象的數(shù)學(xué)理論》一書(shū)中。他在數(shù)學(xué)和化學(xué)方面貢獻(xiàn)他曾研究過(guò)概率論和積分偏微方程他幾乎與H戴維同時(shí)認(rèn)識(shí)元素氯和碘導(dǎo)出過(guò)阿伏伽德羅定律論證過(guò)恒溫下體積和壓強(qiáng)之間的關(guān)系還試圖尋找各種元素的分類和排列順序關(guān)系安培定律與分子電流假說(shuō)安培在聽(tīng)了阿拉果的介紹以后，第二天重復(fù)了奧斯特的實(shí)驗(yàn)，并加以發(fā)展。實(shí)驗(yàn)進(jìn)展非常迅速，在短短的二十天內(nèi)，取得了一系列重大成果，寫(xiě)成三篇論文，在9月18日、9月25日和10月9日的科學(xué)院會(huì)議上，連續(xù)報(bào)告了他的重大發(fā)現(xiàn)。安培重復(fù)作了電流對(duì)磁針作用的實(shí)驗(yàn)，從中發(fā)現(xiàn)磁針轉(zhuǎn)動(dòng)的方向與電流方向的關(guān)系服從右手定則，后人稱它為安培右手定則。安培定律與分子電流假說(shuō)安培在假設(shè)了兩個(gè)電流元之間的相互作用力沿著它們的連線和上述四個(gè)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，總結(jié)出了兩個(gè)電流元之間的作用力正比于它們的長(zhǎng)度和電流強(qiáng)度，而與它們之間距離的平方成反比的公式，即提出了著名的安培定律。他進(jìn)一步去尋找電磁現(xiàn)象的本質(zhì)原因，在1821年1月，提出了著名的分子電流假說(shuō)，認(rèn)為每個(gè)分子的圓形電流形成一個(gè)小磁體，當(dāng)它們?cè)谕獯艌?chǎng)的作用下呈規(guī)則排列時(shí)，就使物體呈現(xiàn)出宏觀磁性安培總結(jié)了當(dāng)時(shí)有關(guān)動(dòng)電研究的成果，于1822年發(fā)表了《電動(dòng)力學(xué)的觀察匯編》，1827年發(fā)表了《電動(dòng)力學(xué)原理概論》，為以后建立電動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)理論作出了奠基性的貢獻(xiàn)。趣事1．懷表變卵石懷表被扔進(jìn)了塞納河。2．馬車車廂做“黑板”3．“電學(xué)中的牛頓”麥克斯韋稱贊安培的工作是“科學(xué)上最光輝的成就之一，還把安培譽(yù)為“電學(xué)中的牛頓”。安培在他的一生中，只有很短的時(shí)期從事物理工作，可是他卻能以獨(dú)特的、透徹的分析，論述帶電導(dǎo)線的磁效應(yīng)，因此我們稱他是電動(dòng)力學(xué)的先創(chuàng)者，他是當(dāng)之無(wú)愧的。3、畢奧—沙伐爾定律在安培提出電流元相互作用之前，法國(guó)科學(xué)家畢奧和沙伐爾于10月30日，在法國(guó)科學(xué)院的會(huì)議上報(bào)告了，載流長(zhǎng)直導(dǎo)線對(duì)磁極的作用正比于電流強(qiáng)度，反比于它們之間距離的實(shí)驗(yàn)成果，后來(lái)法國(guó)數(shù)學(xué)家拉普拉斯應(yīng)用數(shù)學(xué)方法，幫助他們把實(shí)驗(yàn)結(jié)果提到理論的高度，得出了畢奧—沙伐爾—拉普拉斯定律。4、歐姆定律的確立德國(guó)物理學(xué)家歐姆（公元1787一1854）出生于鎖匠家庭，1805年進(jìn)人埃爾蘭根大學(xué)學(xué)習(xí)1811年取得哲學(xué)博士學(xué)位。他一邊擔(dān)任中學(xué)教師一邊進(jìn)行科學(xué)研究1833年被聘為紐倫堡理工學(xué)院物理教授1841年英國(guó)皇家學(xué)會(huì)授予他柯普利獎(jiǎng)?wù)?849年他被聘為慕尼黑大學(xué)教授，終生未婚。為了紀(jì)念他，以他的名字命名電阻單位。二、法拉第與電磁感應(yīng)現(xiàn)象1、“衰減”現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)1824年阿拉果用一條磁針作成單擺，讓它在靜止的金屬盆上面按一定頻率擺動(dòng)，發(fā)現(xiàn)它的運(yùn)動(dòng)像受到阻礙作用一樣很快衰減下來(lái)。1825年讓上述實(shí)驗(yàn)裝置中的金屬盆轉(zhuǎn)動(dòng)，發(fā)現(xiàn)磁針會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，甚至?xí)鬟B續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。1825年塞貝克用一塊磁鐵做成單擺，放在金屬附近擺動(dòng)，他發(fā)現(xiàn)單擺擺動(dòng)的振幅衰減要比附近沒(méi)有金屬時(shí)快得多。2、法拉第及其主導(dǎo)思想英國(guó)實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家法拉第（公元1791－1867），出生于倫敦附近的一個(gè)鐵匠家庭，因?yàn)榧彝ヘ毟F，小學(xué)沒(méi)有畢業(yè)就到倫敦一家書(shū)店當(dāng)裝訂書(shū)的學(xué)徒，利用書(shū)店的有利條件，爭(zhēng)取空余時(shí)間努力學(xué)習(xí)，他從閱讀科學(xué)書(shū)籍中獲得了豐富的知識(shí)，尤其是《大英百科全書(shū)》和《化學(xué)漫談》這兩本書(shū)使他收益不淺。1820年奧斯特實(shí)驗(yàn)對(duì)法拉第影響很大，從此他開(kāi)始了電磁方面的研究，他工作了四十年，在電磁學(xué)方面的實(shí)驗(yàn)研究成果，全部匯總在他的巨著《電學(xué)的實(shí)驗(yàn)研究》中，此書(shū)共三十篇分為三卷分別于1839、1844、1855年出版，此外，法拉第還寫(xiě)了極為詳細(xì)的日記共8冊(cè)，其中如實(shí)地記錄了他的研究設(shè)想、計(jì)劃、成果和實(shí)驗(yàn)經(jīng)過(guò)，記錄了他的成功經(jīng)驗(yàn)和失敗的教訓(xùn)。由于法拉第在研究工作上的成就于1821年被推選為皇家學(xué)院實(shí)驗(yàn)室主任；1824年被選為皇家學(xué)會(huì)的會(huì)員；1825年任皇家研究院院長(zhǎng)；1846年榮獲倫福德獎(jiǎng)?wù)潞突始覄渍?。人們?yōu)榱思o(jì)念他，以他的名字命名了電容的單位。十九世紀(jì)初，歐洲哲學(xué)家提出“自然力”之統(tǒng)一的思想。這種思想對(duì)法拉第影響很深，使法拉第形成了對(duì)物理力的統(tǒng)一性、不可破滅性和可轉(zhuǎn)移性的觀念。從1831年發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象到1851年確立電磁感應(yīng)定律，歷經(jīng)20年。德國(guó)物理學(xué)家楞茨（公元1804—1865）要在獲悉法拉第的發(fā)現(xiàn)之后，重作了許多實(shí)驗(yàn)，于1832年發(fā)現(xiàn)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與線圈的直經(jīng)，繞組導(dǎo)線的直徑和材料都沒(méi)關(guān)系。1833年提出了確定感生電流方向的法則，即“楞茨定律”。這個(gè)定律是電磁感應(yīng)符合能量轉(zhuǎn)換和守恒定律的具體表現(xiàn)。法拉第不相信超距作用的觀點(diǎn)，為了對(duì)電、磁現(xiàn)象作出正確的解釋，他提出了場(chǎng)的概念和力線的圖象。他用電力線和磁力線來(lái)形象地表示電場(chǎng)和磁場(chǎng)的物理圖象。力線上任一點(diǎn)的切線方向就是場(chǎng)強(qiáng)的方向，力線密的地方，場(chǎng)強(qiáng)就強(qiáng)；力線疏的地方，場(chǎng)強(qiáng)就弱。場(chǎng)源不變時(shí)，力線圖也不變，場(chǎng)源變化時(shí)。力線也發(fā)生變化。法拉第關(guān)于場(chǎng)的概念和力線的圖象，為以后麥克斯韋從數(shù)學(xué)上建立電磁場(chǎng)理論奠定了基礎(chǔ)。J．J．湯姆遜對(duì)法拉第的力線評(píng)價(jià)很高，他說(shuō)：“在法拉第的許多貢獻(xiàn)中，最偉大的一個(gè)就是力線概念了。我想電場(chǎng)和磁場(chǎng)的許多性質(zhì)，借助它就可以最簡(jiǎn)單而且富有暗示性地表示出來(lái)”。自從法拉第建立了場(chǎng)的概念和力線的圖象以后，超距作用的觀點(diǎn)逐漸衰敗，而新型的近距作用的觀點(diǎn)日益強(qiáng)化和完善。三、麥克斯韋的電磁場(chǎng)理論1.麥克斯韋英國(guó)理論物理學(xué)家麥克斯韋（公元1831—1879），1831年11月13日生于蘇格蘭的愛(ài)丁堡。他的父親是一個(gè)知識(shí)淵博的律師，使麥克斯韋從小受到良好的教育，在中學(xué)學(xué)習(xí)期間，麥克斯韋在數(shù)學(xué)和詩(shī)歌兩門(mén)課程的成績(jī)特優(yōu)秀。14歲時(shí)就在愛(ài)丁堡皇家學(xué)會(huì)會(huì)刊上發(fā)表了一篇關(guān)于二次曲線作圖問(wèn)題的論文。第一次顯露出他出眾的才華，1847年麥克斯韋進(jìn)入愛(ài)丁堡大學(xué)學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)和物理1850年轉(zhuǎn)入劍橋大學(xué)，成為著名數(shù)學(xué)家霍普金斯的研究生。1854年以第二名的畢業(yè)成績(jī)獲得史密斯獎(jiǎng)金，畢業(yè)后麥克斯韋就開(kāi)始了電磁學(xué)的研究。1856年在馬瑞斯凱學(xué)院任自然哲學(xué)教授1860年到倫敦皇家學(xué)院任自然哲學(xué)和天文學(xué)教授，這期間他有機(jī)會(huì)拜訪同一學(xué)院工作的法拉第，他信服法拉第的物理思想1865年麥克斯韋辭去教授職務(wù)，專心總結(jié)關(guān)于電磁學(xué)的研究成果，完成了電磁場(chǎng)理論的經(jīng)典巨著《論電和磁》并于1873年出版。1871年麥克斯韋被聘為劍橋大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)室主任，負(fù)責(zé)籌建卡文迪許實(shí)驗(yàn)室1874年被任命為卡文迪許實(shí)驗(yàn)室第一任主任。1879年11月5日，麥克斯韋因得癌癥而病故。2.麥克斯韋的貢獻(xiàn)麥克斯韋雖然只活了49歲，但他卻寫(xiě)了許多篇論文，在物理學(xué)方面有：彈性物體的平衡、固體轉(zhuǎn)動(dòng)定律、土星環(huán)的穩(wěn)定性、顏色視覺(jué)、氣體分子速率分布等方面的成果，他的主要貢獻(xiàn)是電磁場(chǎng)理論和光的電磁學(xué)說(shuō)。人們?yōu)榱思o(jì)念他，把磁通量的單位命名為“麥克斯韋”。麥克斯韋系統(tǒng)地研究了前人關(guān)于電磁學(xué)的實(shí)驗(yàn)成果和理論成就，以他非凡的數(shù)學(xué)才能，嚴(yán)密的邏輯推理，建立了完整的電磁場(chǎng)理論。他共發(fā)表了四篇關(guān)于電磁場(chǎng)理論的論文，從這四篇文章中，可以看出麥克斯韋對(duì)電磁場(chǎng)理論的建立不是一蹴而成的，而是不斷探索，不斷深入研究才取得最后的成功。1855年，麥克斯韋發(fā)表了《論法拉第的力線》的第一篇論文，麥克斯韋運(yùn)用類比的方法，把電磁學(xué)與流體力學(xué)作比較，他把正負(fù)電荷比作流體的源和溝、電力線比作流管、電場(chǎng)比作流速等。從而麥克斯韋用數(shù)學(xué)重新概括了歐姆定律等六條基本定律。1862年，麥克斯韋發(fā)表了《論物理的力線》的第二篇論文。提出“位移電流”的假說(shuō)。1865年，麥克斯韋發(fā)表了《電磁場(chǎng)動(dòng)力學(xué)》的第三篇論文，他用場(chǎng)論的觀點(diǎn)對(duì)電磁理論進(jìn)行了總結(jié)，他認(rèn)為電磁相互作用，僅與距離有關(guān)而且依賴于相對(duì)速度，因此應(yīng)該從帶電體和磁體周圍的媒質(zhì)中發(fā)生的過(guò)程來(lái)考慮問(wèn)題，而不以超距作用為出發(fā)點(diǎn)，從而提出了電磁場(chǎng)理論。麥克斯韋為了對(duì)電磁現(xiàn)象能夠進(jìn)行定量的計(jì)算，把已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的庫(kù)侖定律、安培定律……高斯定理、環(huán)路定理等，用二十個(gè)變量列出二十個(gè)方程，成為電磁場(chǎng)的一般方程組?，F(xiàn)在把電磁場(chǎng)的基本規(guī)律只歸納為四個(gè)方程，即麥克斯韋方程組的微分形式麥克斯韋斷定光是一種短波長(zhǎng)的電磁波。他在論文中寫(xiě)道：“這一速度與光速如此接近，看來(lái)我們有充分的理由斷定，光本身（包括熱輻射和其他形式的輻射）是以波動(dòng)形式在電磁場(chǎng)中按電磁波規(guī)律傳播的一種電磁振動(dòng)?！边@就是麥克斯韋所創(chuàng)立的光的電磁波學(xué)說(shuō)。這樣，他把原來(lái)互相獨(dú)立的電學(xué)、磁學(xué)和光學(xué)三個(gè)物理部門(mén)結(jié)合起來(lái)，成為十九世紀(jì)中葉物理學(xué)上實(shí)現(xiàn)的一次大綜合。1873年，麥克斯韋發(fā)表了《電磁場(chǎng)通論》一書(shū)，這是一部集電磁理論之大成的經(jīng)典著作。3.赫茲（公元1857—1894）是柏林大學(xué)物理學(xué)教授亥姆霍茲的學(xué)生，他在老師的影響下，認(rèn)真鉆研了各種電磁學(xué)理論，深為麥克斯韋理論所吸引，決心用實(shí)驗(yàn)來(lái)證實(shí)電磁場(chǎng)理論。1885年，赫茲作了一個(gè)放電實(shí)驗(yàn)，他作了一個(gè)具有初級(jí)