1、科技史科技史第十一讲：近代经典物理第十一讲：近代经典物理学的全面发展学的全面发展历史文化与旅游学院历史文化与旅游学院1一、一、光学的进展光学的进展二、二、热学的成就热学的成就三、三、电磁学的建立电磁学的建立2内容简介内容简介1.1.了解近代资本主义大工业的建立对近代物理了解近代资本主义大工业的建立对近代物理学的推动作用；学的推动作用；2.2.把握近代以来关于光的本质的认识的发展线把握近代以来关于光的本质的认识的发展线索，弄清光的微粒说与光的波动说之争的来索，弄清光的微粒说与光的波动说之争的来龙去脉；龙去脉；3.3.理解热力学第一定律、第二定律的涵义，重理解热力学第一定律、第二定律的涵义，重点掌
2、握热力学第二定律的自然观意义；点掌握热力学第二定律的自然观意义；4.4.认识电磁学的建立在物理学史和技术史上的认识电磁学的建立在物理学史和技术史上的重要地位和作用。重要地位和作用。31 1光学的进展光学的进展1.1. 几何光学几何光学：16211621年荷兰年荷兰斯涅尔斯涅尔2.2. 发现光的发现光的折射定律折射定律2. 2. 波动光学的兴起波动光学的兴起：牛顿的光的颜色的理论：牛顿的光的颜色的理论3. 3. 光的本质的探讨光的本质的探讨：光究意是什么，是某种物质的：光究意是什么，是某种物质的运动形式运动形式波动？还是某种实物微粒？胡克、波动？还是某种实物微粒？胡克、惠更斯等人主张波动说，牛顿
3、则更倾向于微粒惠更斯等人主张波动说，牛顿则更倾向于微粒说。微粒说在说。微粒说在1818世纪占据统治地位。世纪占据统治地位。4. 4. 波动说的胜利波动说的胜利：1919世纪初英国世纪初英国托马斯托马斯杨杨的双缝的双缝实验与微粒说相矛盾，杨用光的波动说解释了实验与微粒说相矛盾，杨用光的波动说解释了“干涉现象干涉现象”和和“衍射现象衍射现象”。法国的。法国的菲涅尔菲涅尔以数学形式证明了波动说。以数学形式证明了波动说。4菲涅尔菲涅尔 托托马马斯斯 杨杨菲涅尔的波带法菲涅尔的波带法 衍衍射射现现象象折射定律折射定律 干干涉涉现现象象5波动说与微粒说的交锋波动说与微粒说的交锋惠更斯与光惠更斯与光的波动说
4、的波动说波动说波动说6二、热学的成就二、热学的成就1.1.热的本质热的本质 在十八世纪，随着人们对燃烧现象认识的深在十八世纪，随着人们对燃烧现象认识的深入，对热现象也开始试图给予解释。入，对热现象也开始试图给予解释。 当时对热的本性存在当时对热的本性存在两种见解两种见解：一种认为热：一种认为热是一种物质；另一种认为热是物质分子的微是一种物质；另一种认为热是物质分子的微小运动。小运动。 拉瓦锡在拉瓦锡在17891789年的年的初等化学概论初等化学概论中把热中把热物质当做一种元素引入，称之为热素或热质物质当做一种元素引入，称之为热素或热质（caloriquecalorique）。）。7热质说热质说
5、 拉瓦锡拉瓦锡认为：存在着一种极易流动的物质实认为：存在着一种极易流动的物质实体充满分子之间的空间，这种实体具有扩大体充满分子之间的空间，这种实体具有扩大分子之间距离的作用。分子之间距离的作用。 这种物质实体热质，根据其状态分为两这种物质实体热质，根据其状态分为两类：自由的热质和结合的热质。类：自由的热质和结合的热质。 结合的热质被物体中的分子所束缚，形成其结合的热质被物体中的分子所束缚，形成其实质的一部分；自由热质没有处于任何结合实质的一部分；自由热质没有处于任何结合状态，能够从一个物体转移到另一个物体，状态，能够从一个物体转移到另一个物体，成为各种热现象的载体。成为各种热现象的载体。8热机
6、：从技术到理论热机：从技术到理论 蒸汽机的广泛使用促进了工业革命、缩蒸汽机的广泛使用促进了工业革命、缩短了旅行时间、加快了商品流通。但是短了旅行时间、加快了商品流通。但是蒸汽机的改进只是靠技术上的摸索取得蒸汽机的改进只是靠技术上的摸索取得，到十九世纪初还没有一个关于蒸汽机，到十九世纪初还没有一个关于蒸汽机的一般理论。的一般理论。 这一局面因这一局面因卡诺卡诺于于18241824年出版年出版关于火关于火的动力及其适于产生这种动力的发动机的动力及其适于产生这种动力的发动机之考察之考察一书而改变。一书而改变。9Sadi Nicolas Lonard CarnotSadi Nicolas Lonard
7、 Carnot 卡诺卡诺(1796-1832)(1796-1832)出身于法国望出身于法国望族。族。 18141814年卡诺毕业于法国综合工年卡诺毕业于法国综合工科学校后到工兵部队服役，科学校后到工兵部队服役，18201820年退役后专心从事物理学年退役后专心从事物理学理论研究。理论研究。 他的父亲是拿破仑一世政府要他的父亲是拿破仑一世政府要人；弟弟是一位持自由观点的人；弟弟是一位持自由观点的政治家；一位侄子是法兰西第政治家；一位侄子是法兰西第三共和国总统。三共和国总统。10热机的效率热机的效率 瓦特瓦特致力于提高蒸汽机的效率。但是经过改进致力于提高蒸汽机的效率。但是经过改进的蒸汽机效率仍然很
8、低。燃料所产生的热能的的蒸汽机效率仍然很低。燃料所产生的热能的93%-95%93%-95%都被浪费掉。都被浪费掉。 卡诺卡诺对热机的做功效率也非常感兴趣。他想了对热机的做功效率也非常感兴趣。他想了解这种效率究竟可以提高到多少。解这种效率究竟可以提高到多少。 卡诺从他的应用力学家父亲那里学会了对一个卡诺从他的应用力学家父亲那里学会了对一个循环过程进行考察的必要性。他把热机对外做循环过程进行考察的必要性。他把热机对外做功和做完功返回原状的过程结合起来考虑。功和做完功返回原状的过程结合起来考虑。11热质守恒热质守恒 卡诺在卡诺在关于火的动力关于火的动力一书中是立足于热一书中是立足于热质说来考察热机效
9、率的。质说来考察热机效率的。 他的工作基础就是热质守恒。他的工作基础就是热质守恒。卡诺认为卡诺认为：热：热从高温物体向低温物体移动时，必然能够产从高温物体向低温物体移动时，必然能够产生动力。因此不伴随动力产生的热流动是一生动力。因此不伴随动力产生的热流动是一种损失。温度不同的物体接触时就会产生这种损失。温度不同的物体接触时就会产生这种损失。想要获得热机的最高效率，就要尽种损失。想要获得热机的最高效率，就要尽量避免这种损失。量避免这种损失。12卡诺循环：理想热机卡诺循环：理想热机 卡诺进一步设想了没有任何损失的理卡诺进一步设想了没有任何损失的理想热机。他考察了由带活塞的汽缸中气想热机。他考察了由
10、带活塞的汽缸中气体所产生的体所产生的等温膨胀等温膨胀（系统从环境中吸（系统从环境中吸收热量）、收热量）、绝热膨胀绝热膨胀（系统对环境中作（系统对环境中作功）、功）、等温压缩等温压缩（系统向环境中放出热（系统向环境中放出热量）、量）、绝热压缩绝热压缩（系统恢复原来状态，（系统恢复原来状态，对环境作负功）四个过程组成的循环，对环境作负功）四个过程组成的循环，后来命名为后来命名为卡诺循环卡诺循环。13热力学的奠基人热力学的奠基人 卡诺卡诺最先定量地研究了热和功相互转化的方式最先定量地研究了热和功相互转化的方式，因此他被称作，因此他被称作热力学的奠基人热力学的奠基人。 他的方程表明最大效率只与最高温度
11、和最低温他的方程表明最大效率只与最高温度和最低温度有关，与中间过程、工作介质无关。度有关，与中间过程、工作介质无关。 卡诺如果能继续研究下去，很可能由此得出热卡诺如果能继续研究下去，很可能由此得出热力学第二定律（熵增加定理）。而且卡诺后来力学第二定律（熵增加定理）。而且卡诺后来还放弃了热质说，转而认为热是一种运动。还放弃了热质说，转而认为热是一种运动。 但是不幸的是他在但是不幸的是他在3636岁岁就死于霍乱。就死于霍乱。14热动说热动说 伦福德伦福德( (1753-1814) 1753-1814) 纠正了纠正了热是一种无质流体的说法。热是一种无质流体的说法。 伦福德出身于美国，后到欧伦福德出身
12、于美国，后到欧洲慕尼黑管理一个兵工厂，洲慕尼黑管理一个兵工厂，他发现当钻削制造炮筒的青他发现当钻削制造炮筒的青铜坯料时，金属坯料烫得象铜坯料时，金属坯料烫得象火一样。火一样。 当时传统的解释是，当金属当时传统的解释是，当金属被切削成刨花时，热质就从被切削成刨花时，热质就从金属中逸出。金属中逸出。 但是伦福德注意到，只要镗但是伦福德注意到，只要镗钻不停止，金属就不停地发钻不停止，金属就不停地发热。热。15热质热质 伦福德在慕尼黑管理一个兵工厂，他发伦福德在慕尼黑管理一个兵工厂，他发现当钻削制造炮筒的青铜坯料时，金属现当钻削制造炮筒的青铜坯料时，金属坯料烫得象火一样。坯料烫得象火一样。 当时传统的
13、解释是，当金属被切削成刨当时传统的解释是，当金属被切削成刨花时，热质就从金属中逸出。花时，热质就从金属中逸出。 但是伦福德注意到，只要镗钻不停止，但是伦福德注意到，只要镗钻不停止，金属就不停地发热。金属就不停地发热。16机械运动转化为热机械运动转化为热 伦福德得出结论，是镗具的机械运动转化为伦福德得出结论，是镗具的机械运动转化为热。热。17981798年伦福德向皇家学会报告了他在慕年伦福德向皇家学会报告了他在慕尼黑的实验。尼黑的实验。 他还试图给出一定量的机械运动所能产生的他还试图给出一定量的机械运动所能产生的热量，这是首次给出了热功当量的数值。不热量，这是首次给出了热功当量的数值。不过他的数
14、值偏高。过他的数值偏高。 17991799年伦福德回到英国，当选为皇家学会会年伦福德回到英国，当选为皇家学会会员。员。18041804年到巴黎定居，娶了拉瓦锡的遗孀年到巴黎定居，娶了拉瓦锡的遗孀并就热质说与已故的拉瓦锡作对。并就热质说与已故的拉瓦锡作对。17热运动说的处境热运动说的处境 伦福德的报告引起巨大反响，对热运动说有伦福德的报告引起巨大反响，对热运动说有人支持也有人反对。热质说的统治地位一时人支持也有人反对。热质说的统治地位一时还难以动摇。还难以动摇。 当时以热质守恒这一基本原理为基础，热学当时以热质守恒这一基本原理为基础，热学正稳步地积累着实验资料，并不断带来新的正稳步地积累着实验资
15、料，并不断带来新的理论。相反，热运动论缺乏定量的实验基础理论。相反，热运动论缺乏定量的实验基础，没有提出数学化的理论。，没有提出数学化的理论。 必须等到能量守恒定律的确立，才能从更为必须等到能量守恒定律的确立，才能从更为广阔的观点来理解热和运动的相互转化。广阔的观点来理解热和运动的相互转化。182.2.能量守恒定律的发现能量守恒定律的发现 能量守恒定律提出的背景能量守恒定律提出的背景(1)(1)由于十八世纪以来物理学前沿的扩大，形形色色由于十八世纪以来物理学前沿的扩大，形形色色的物理现象之间的转化过程被陆续发现，引起人的物理现象之间的转化过程被陆续发现，引起人们注意。们注意。(2)(2)十八世
16、纪下半叶在德国产生一种对十八世纪下半叶在德国产生一种对机械论机械论自然观自然观的不满，萌发一种的不满，萌发一种活力论活力论。这种活力论在十九世。这种活力论在十九世纪初发展成为自然哲学：把整个宇宙看做是由某纪初发展成为自然哲学：把整个宇宙看做是由某种根源性的力所引起的历史发展的产物。自然界种根源性的力所引起的历史发展的产物。自然界的各种力，电、磁、光、热、化学亲和力等等东的各种力，电、磁、光、热、化学亲和力等等东西归根结底是同一种东西。西归根结底是同一种东西。19 德国人德国人迈尔迈尔（1814-18781814-1878）作为随船医生在作为随船医生在18401840年去爪年去爪哇的航行中，由于
17、考虑动物哇的航行中，由于考虑动物热的问题，迈尔对物理学产热的问题，迈尔对物理学产生兴趣，多次著文阐述能量生兴趣，多次著文阐述能量守恒的信念。守恒的信念。 18411841年他完年他完成成关于无机界各种力的意关于无机界各种力的意见见一文，被一家物理学杂一文，被一家物理学杂志退稿后，第二年发表在了志退稿后，第二年发表在了李比希主编的李比希主编的化学和药学化学和药学年鉴年鉴上。但是他的工作几上。但是他的工作几乎没有引起人们注意。乎没有引起人们注意。20 英国的英国的焦耳焦耳擅长实验。他对所有擅长实验。他对所有他想得到的有热量产生过程进行他想得到的有热量产生过程进行热测量。热测量。 18401840年
18、他得出：电流产生的热量年他得出：电流产生的热量与电流强度的平方和电阻的乘积与电流强度的平方和电阻的乘积成正比焦耳最后测量出做的成正比焦耳最后测量出做的功和产生的热的关系为：功和产生的热的关系为：41,450,00041,450,000尔格的功产生尔格的功产生1 1卡的热卡的热量。量。 为了纪念焦耳的工作，后来规定为了纪念焦耳的工作，后来规定一千万尔格的功定义为一焦耳。一千万尔格的功定义为一焦耳。现在的现在的热功当量数值为热功当量数值为4.184.18焦耳焦耳/ /卡卡。21成果无处发表成果无处发表 当时人们没有认识到焦耳工作的意义。各种学术刊当时人们没有认识到焦耳工作的意义。各种学术刊物和皇家
19、学会都拒绝发表他的文章。物和皇家学会都拒绝发表他的文章。 18471847年焦耳获得在英国科学促进会年会上宣读他的年焦耳获得在英国科学促进会年会上宣读他的论文的机会，当时几乎没有听众，论文的机会，当时几乎没有听众， 只有一位只有一位2323岁的年青人岁的年青人威廉威廉汤姆森汤姆森，即后来的开，即后来的开尔文勋爵对他的报告感兴趣。汤姆森对焦耳的成果尔文勋爵对他的报告感兴趣。汤姆森对焦耳的成果作了十分精辟的评价，终于引起人们的注意。作了十分精辟的评价，终于引起人们的注意。 18491849年在法拉第亲自主持下，焦耳在皇家学会宣读年在法拉第亲自主持下，焦耳在皇家学会宣读了他的论文，他的成果终于获得完
20、全承认。了他的论文，他的成果终于获得完全承认。 焦耳的工作焦耳的工作为热力学第一、第二定律的得出奠定了为热力学第一、第二定律的得出奠定了实验基础。实验基础。22 对能量守恒，迈尔展开对能量守恒，迈尔展开了大胆思辨，焦耳进行了大胆思辨，焦耳进行了扎实的实验，而德国了扎实的实验，而德国生理学家和物理学家生理学家和物理学家赫赫姆霍兹姆霍兹（1821-18941821-1894）则）则立足于力学基础之上，立足于力学基础之上，追求各种能量转换过程追求各种能量转换过程的数学表述。最终被确的数学表述。最终被确认为认为能量守恒定律的确能量守恒定律的确立者立者。23论论“力力”的守恒的守恒 18471847年赫
21、姆霍兹独立完成年赫姆霍兹独立完成论论“力力”的守恒的守恒一文，并于一文，并于7 7月月2323日在柏林物理学会的年会上日在柏林物理学会的年会上宣读宣读 18541854年赫姆霍兹在年赫姆霍兹在自然力的相互作用自然力的相互作用一文一文中指出，中指出，“自然作为一个整体，是力的储存库自然作为一个整体，是力的储存库，它不能以任何方法增加或减少。所以自然界，它不能以任何方法增加或减少。所以自然界中力的数量正象物质的数量一样永存和不变。中力的数量正象物质的数量一样永存和不变。我曾将这个普遍的定律命名为我曾将这个普遍的定律命名为力的守恒原理力的守恒原理”。这里明确表达了能量转化和守恒的思。这里明确表达了能
22、量转化和守恒的思想。想。 以以1850-18511850-1851年间克劳修斯和汤姆森奠定热力年间克劳修斯和汤姆森奠定热力学基础的工作为转机，能量守恒定律才获得普学基础的工作为转机，能量守恒定律才获得普遍承认。遍承认。 24意义意义 能量守恒与转化定律能量守恒与转化定律 被认为是物理学的被认为是物理学的“最高定律最高定律”（法拉（法拉第），第）， “ “宇宙的普遍的基本定律宇宙的普遍的基本定律”（克劳修斯）（克劳修斯）， 恩格斯则称之为恩格斯则称之为1919世纪三大发现之一。世纪三大发现之一。 该定律的发现标志着近代物理学第二该定律的发现标志着近代物理学第二次理论大综合。次理论大综合。253.
23、3.热力学第一、第二定律的建立热力学第一、第二定律的建立 热力学第一定律的建立热力学第一定律的建立 热功当量的发现揭示了热和机械功之间存热功当量的发现揭示了热和机械功之间存在着内在的定量关系。焦耳的实验一方面在着内在的定量关系。焦耳的实验一方面证明了热和机械功的作用效果是等价的，证明了热和机械功的作用效果是等价的，另一方面也证明了绝热过程的功与过程进另一方面也证明了绝热过程的功与过程进行的方式无关。行的方式无关。 在焦耳工作的基础上，在焦耳工作的基础上，克劳修斯和开尔文克劳修斯和开尔文各自深入研究了热功转化的机制和规律性各自深入研究了热功转化的机制和规律性问题，分别获得了热力学第一定律的各自问
24、题，分别获得了热力学第一定律的各自表述。表述。 26第一定律的克劳修斯表述第一定律的克劳修斯表述 18501850年年4 4月克劳修斯在月克劳修斯在物理和化学年鉴物理和化学年鉴上发表了上发表了论热的动力和可由此推导热学论热的动力和可由此推导热学本身的定律本身的定律提出热力学第一定律表述：提出热力学第一定律表述： “在一切热做功的情况中，产生的在一切热做功的情况中，产生的功与消耗的热量成比例。反之，通功与消耗的热量成比例。反之，通过消耗同样大小的功，将能产生同过消耗同样大小的功，将能产生同样数量的热量样数量的热量。” 27第一定律的开尔文表述第一定律的开尔文表述 18511851年开尔文发表年开
25、尔文发表以焦耳先生的单位热以焦耳先生的单位热当量导出的大量结果和雷诺对蒸气的观察论热当量导出的大量结果和雷诺对蒸气的观察论热的动力学理论的动力学理论一文，提出了热力学第一定律一文，提出了热力学第一定律的开尔文说法：的开尔文说法： “ “物质系必须以热的形式或以机械功物质系必须以热的形式或以机械功的形式，给出同它得到的同样多的能量的形式，给出同它得到的同样多的能量”。 这里开尔文首次把能量一词引入到了热力这里开尔文首次把能量一词引入到了热力学中，该表述也被称为热力学第一定律的能量学中，该表述也被称为热力学第一定律的能量表述。表述。28热力学第二定律的建立热力学第二定律的建立 热力学第一定律是关于
26、孤立热力学系统从热源热力学第一定律是关于孤立热力学系统从热源是否吸收热量和内能与外功之间转化守恒关系是否吸收热量和内能与外功之间转化守恒关系的规律，它并不涉及不同温度的两个热源之间的规律，它并不涉及不同温度的两个热源之间的热量传递。的热量传递。 然而卡诺热机理论表明，为了从热产生动力，然而卡诺热机理论表明，为了从热产生动力，需要有高温物体和低温物体。热机的实践也证需要有高温物体和低温物体。热机的实践也证明，热机存在着普遍的热耗散现象，总有一些明，热机存在着普遍的热耗散现象，总有一些热譬如磨擦热不能复返做功。热譬如磨擦热不能复返做功。 事实上卡诺的理想热机循环在实际中是不能实事实上卡诺的理想热机
27、循环在实际中是不能实现的。对此，需要有一个新的普遍规律对这种现的。对此，需要有一个新的普遍规律对这种普遍现象加以说明。普遍现象加以说明。 29第二定律的克氏表述第二定律的克氏表述 在在18541854年年物理和化学年鉴物理和化学年鉴上发表的上发表的论机械热理论第二基本定律的一个改论机械热理论第二基本定律的一个改变形式变形式一文中，克劳修斯给出了通常一文中，克劳修斯给出了通常所说的热力学第二定律的所说的热力学第二定律的“克氏表述克氏表述”：“热不可能由冷体传到热体，如果不热不可能由冷体传到热体，如果不因而同时引起其他关系的变化因而同时引起其他关系的变化。” 30熵熵 18651865年年4 4月
28、克劳修斯在月克劳修斯在关于热的动力理论的关于热的动力理论的主要方程的各种应用的方便形式主要方程的各种应用的方便形式中提出了中提出了一个与变化途径无关的状态函数一个与变化途径无关的状态函数S S。 定义定义dS=dQ/TdS=dQ/T，S S表示物体的热转变含量，并表示物体的热转变含量，并用了一个与能量的德文字（用了一个与能量的德文字（EnergieEnergie）相近的）相近的从希腊文转写过来的词从希腊文转写过来的词EntropieEntropie来命名来命名S S。 19231923年普朗克年普朗克到南京东南大学作热力学第二到南京东南大学作热力学第二定律方面的讲学，定律方面的讲学，胡复刚胡复
29、刚为之翻译，首次把为之翻译，首次把EntropieEntropie译作熵。译作熵。31“克氏表述克氏表述”的精练形式的精练形式 在在18651865年的论文中，克劳修斯把热力学年的论文中，克劳修斯把热力学第二定律表述为：对于可逆过程而言，第二定律表述为：对于可逆过程而言，熵等于熵等于0 0；对于不可逆过程而言，熵总；对于不可逆过程而言，熵总是大于是大于0 0。 18751875年在年在热的动力理论热的动力理论中又提出了中又提出了热力学第二定律热力学第二定律“克氏表述克氏表述”的更为精的更为精炼的形式：炼的形式：“热不可能自发地从一冷体热不可能自发地从一冷体传到一热体传到一热体”。 32“宇宙热
30、寂说宇宙热寂说” 18671867年在法兰克福举行的第年在法兰克福举行的第4141届德国自然科届德国自然科学家和医生联合会议上，克劳修斯他把整个宇学家和医生联合会议上，克劳修斯他把整个宇宙看做一个孤立的绝热系统，然后把热力学第宙看做一个孤立的绝热系统，然后把热力学第一定律和第二定律应用于整个宇宙，得出：一定律和第二定律应用于整个宇宙，得出： (1)(1)宇宙的总能量是一个常数；宇宙的总能量是一个常数； (2)(2)宇宙的熵趋向某一个极大值。宇宙的熵趋向某一个极大值。 这就是后来引起很多争议的这就是后来引起很多争议的“宇宙热寂说宇宙热寂说”的正式提出。的正式提出。33第二类永动机不存在第二类永动
31、机不存在 在在18561856年的年的论动力的起源和转变论动力的起源和转变中，开尔文把中，开尔文把热力学第二定律和制造一种自动机联系起来，提出热力学第二定律和制造一种自动机联系起来，提出：不借助外部动因将热从一物体传递到另一高温物：不借助外部动因将热从一物体传递到另一高温物体来制成一个自动机，是不可能的。体来制成一个自动机，是不可能的。 这种自动机也称为永动机，后来人们把这种自动机也称为永动机，后来人们把违反热力学违反热力学第一定律的永动机称作第一类永动机，违反热力学第一定律的永动机称作第一类永动机，违反热力学第二定律的永动机称作第二类永动机。第二定律的永动机称作第二类永动机。 热力学第二定律
32、也等价地被表述为：第二类永动机热力学第二定律也等价地被表述为：第二类永动机是不存在的。是不存在的。 34热力学第三定律热力学第三定律 热力学第三定律的建立与低温现象的研热力学第三定律的建立与低温现象的研究直接相关，究直接相关，18481848年汤姆逊提出绝对零年汤姆逊提出绝对零度可能是温度下限的观点，度可能是温度下限的观点，19061906年德国年德国人人斯特斯特提出提出任何物体都不可能冷却到绝任何物体都不可能冷却到绝对零度对零度。353 3电磁学的建立电磁学的建立1.1.从静电到动电的研究：从静电到动电的研究： 1818世纪静电学研究最重要的成就是美国世纪静电学研究最重要的成就是美国富兰克林
33、富兰克林提出的关于单电流体的一元论，并提出的关于单电流体的一元论，并用著名用著名风筝实验风筝实验加以证明；加以证明； 1818世纪末电学从静电研究向流电研究发世纪末电学从静电研究向流电研究发展，意大利展，意大利伽伐尼伽伐尼发现动物电流、发现动物电流、伏打伏打在电在电堆实验和发现原电池的基础上提出了接触理堆实验和发现原电池的基础上提出了接触理论。论。362.2.奥斯特的发现奥斯特的发现 18191819年丹麦物理学家奥斯特（年丹麦物理学家奥斯特（Oersted, Oersted, HansHans，1777-1851)1777-1851)在一次课堂实验中发现：在一次课堂实验中发现： 让一个罗盘靠
34、近通电导线，罗盘指针发让一个罗盘靠近通电导线，罗盘指针发生转动，指向与电流方向成直角的方向生转动，指向与电流方向成直角的方向。 这次实验是电与磁之间的联系的第一次这次实验是电与磁之间的联系的第一次实验演示。实验演示。18201820年奥斯特发表这个实验之后年奥斯特发表这个实验之后，引起了爆炸性的反响。，引起了爆炸性的反响。373.3.法拉第的电磁学研究法拉第的电磁学研究 法拉第（法拉第（Michael Michael Faraday 1791-1867Faraday 1791-1867）是）是一名铁匠的儿子。一名铁匠的儿子。 早年做装订工学徒（早年做装订工学徒（18051805年），使他有机会
35、接年），使他有机会接触许多书，常翻大英百科触许多书，常翻大英百科全书中的电学文章和拉瓦全书中的电学文章和拉瓦锡的化学教程等。锡的化学教程等。38戴维的助手、实验天才戴维的助手、实验天才 18131813年年2222岁的法拉第成为戴维岁的法拉第成为戴维的助手，任务是刷洗瓶子。的助手，任务是刷洗瓶子。 实验室里的法拉第渐渐表现出实验室里的法拉第渐渐表现出他的天分，甚至远远超出了值他的天分，甚至远远超出了值得戴维提携的程度。得戴维提携的程度。 比如法拉第能熟练制备三氯化比如法拉第能熟练制备三氯化氮气体，而戴维则不那么熟练氮气体，而戴维则不那么熟练，一次还让它爆炸了，几乎因，一次还让它爆炸了，几乎因此
36、而失明。此而失明。39让磁力产生电流？让磁力产生电流？ 法拉第在法拉第在18211821年就设计了一个实验装年就设计了一个实验装置，把电力和磁力间的作用转化成了连续置，把电力和磁力间的作用转化成了连续的机械运动。的机械运动。 但这个装置充其量只不过是一个科学但这个装置充其量只不过是一个科学玩具。玩具。 奥斯特让电流产生了磁力，法拉第所奥斯特让电流产生了磁力，法拉第所想的是怎样倒过来让磁力产生电流想的是怎样倒过来让磁力产生电流。40读不到电流读不到电流 实验经过了许多曲折和戏剧性的过程。实验经过了许多曲折和戏剧性的过程。 他用他用安培安培(Ampre, Andr 1775-1836)(Ampre
37、, Andr 1775-1836)发发明的线圈来产生磁场，希望这个磁场能对第明的线圈来产生磁场，希望这个磁场能对第二个线圈产生影响。二个线圈产生影响。 第一个线圈固然产生了稳定的磁场，但是第一个线圈固然产生了稳定的磁场，但是在第二个线圈中读不到电流。在第二个线圈中读不到电流。41没有轻易放过的现象没有轻易放过的现象 在多次无效的尝试之后，一次在在多次无效的尝试之后，一次在关闭第一线圈的电流的一刹那，关闭第一线圈的电流的一刹那，第二线圈的电流计指针颤动了一第二线圈的电流计指针颤动了一下。下。 据说十年前安培就发现过这个现据说十年前安培就发现过这个现象，但是这个现象不合于他的理象，但是这个现象不合
38、于他的理论，就对之未加考虑。论，就对之未加考虑。 但法拉第没有轻易放过这一现但法拉第没有轻易放过这一现象。象。42电磁感应电磁感应 经过反复实验，法拉第发现只有在打经过反复实验，法拉第发现只有在打开和关闭第一线圈的电流时，第二线开和关闭第一线圈的电流时，第二线圈内才产生一股瞬时的电流。圈内才产生一股瞬时的电流。 这就是感应电流的发现。这种现象被这就是感应电流的发现。这种现象被称作电磁感应，是后来一切电动能源称作电磁感应，是后来一切电动能源的基础。的基础。43磁力线磁力线 法拉第直观地用磁力线来描述磁体周围的法拉第直观地用磁力线来描述磁体周围的磁场，并用铁屑来演示磁力线的排列。他认为磁场，并用铁
39、屑来演示磁力线的排列。他认为这种力线是很实在的东西，比原子更为实在。这种力线是很实在的东西，比原子更为实在。感应电流只有当磁力线切割导线时才产生。感应电流只有当磁力线切割导线时才产生。44磁感应发电机磁感应发电机 一旦证明磁能产生电，法拉第接下来的工作是一旦证明磁能产生电，法拉第接下来的工作是要用磁场来产生连续的电流。要用磁场来产生连续的电流。 不久他就造出了世界上第一台磁感应发电机。不久他就造出了世界上第一台磁感应发电机。 要生产出完全实用的发电机还需要许多辅助设要生产出完全实用的发电机还需要许多辅助设备。而发明这些辅助设备花了人类半个多世备。而发明这些辅助设备花了人类半个多世纪。最终的发电
40、机与法拉第的最初模型看起来纪。最终的发电机与法拉第的最初模型看起来毫不相同，但基本工作原理是一样的。毫不相同，但基本工作原理是一样的。454.4.麦克斯韦的数学升华麦克斯韦的数学升华 法拉第借助于巧妙的实验和直观的图像法拉第借助于巧妙的实验和直观的图像，成功地用力线模型解释了电磁现象。，成功地用力线模型解释了电磁现象。 但是由于他是自学成才，不熟悉数学，但是由于他是自学成才，不熟悉数学，因此不可能给他的理论给以数学表示。因此不可能给他的理论给以数学表示。 是数学天才是数学天才麦克斯韦麦克斯韦完成了这项工作，完成了这项工作，并且补充了更多的内容，从而并且补充了更多的内容，从而奠定了电奠定了电磁场
41、理论的基础磁场理论的基础。46麦克斯韦麦克斯韦 麦克斯韦（麦克斯韦（ James Clerk James Clerk Maxwell 1831-1879Maxwell 1831-1879）出）出生于苏格兰望族，是家中生于苏格兰望族，是家中的独子。他从小就有数学的独子。他从小就有数学方面的天分，但是被同学方面的天分，但是被同学们称为傻瓜。们称为傻瓜。 十五岁时他把如何绘制卵十五岁时他把如何绘制卵形线的方法写成论文送到形线的方法写成论文送到皇家学会宣读。皇家学会宣读。 18501850年进剑桥大学。年进剑桥大学。47论法拉第的力线论法拉第的力线 麦克斯韦接受开尔文的忠告，通读了法麦克斯韦接受开尔文
42、的忠告，通读了法拉第的论文集拉第的论文集电学实验研究电学实验研究，他认，他认识到关键在于在少数简单的观念的基础识到关键在于在少数简单的观念的基础上把其中交错混乱的电磁学解释明白。上把其中交错混乱的电磁学解释明白。 18561856年年2 2月他发表了电磁学的第一篇论文月他发表了电磁学的第一篇论文论法拉第的力线论法拉第的力线，文章的目标首先，文章的目标首先放在用数学表示法拉第的见解上。放在用数学表示法拉第的见解上。48论物理的力线论物理的力线 18621862年麦克斯韦发表了电磁学的第二篇年麦克斯韦发表了电磁学的第二篇论文论文论物理的力线论物理的力线。这篇文章超越了法。这篇文章超越了法拉第，取得
43、了新的成果，从而巩固了电磁理拉第，取得了新的成果，从而巩固了电磁理论的基础。论的基础。 在该文中麦克斯韦论述了传递电作用的在该文中麦克斯韦论述了传递电作用的媒质具有什么样的结构，在媒质中产生什么媒质具有什么样的结构，在媒质中产生什么样的张力和运动，怎样表示观测到的电磁现样的张力和运动，怎样表示观测到的电磁现象等问题。象等问题。49磁力管磁力管 按照法拉第的思想，整个空间都充满了按照法拉第的思想，整个空间都充满了由磁力线构成的磁力管，各磁力管都具有由磁力线构成的磁力管，各磁力管都具有横向扩展和纵向收缩的性质。好比旋转着横向扩展和纵向收缩的性质。好比旋转着的液体，由于收到离心力的作用，相对转的液体
44、，由于收到离心力的作用，相对转轴横向扩展，在纵向收缩。轴横向扩展，在纵向收缩。 麦克斯韦设想，磁力管内充满以太，而麦克斯韦设想，磁力管内充满以太，而且都在作旋转运动，整个空间就被这样的且都在作旋转运动，整个空间就被这样的以太漩涡充满。以太漩涡充满。50麦克斯韦的麦克斯韦的“机械机械”电电磁场模型磁场模型 但是这样挤得满满的以太但是这样挤得满满的以太漩涡自身不能很好地同时在漩涡自身不能很好地同时在同一方向旋转，因此麦克斯同一方向旋转，因此麦克斯韦设想各漩涡之间夹有像滚韦设想各漩涡之间夹有像滚珠轴承那样的粒子。珠轴承那样的粒子。 在这样的模型中，在这样的模型中，磁场磁场强度强度相当于漩涡的角速度；
45、相当于漩涡的角速度；电场强度电场强度相当于漩涡发生形相当于漩涡发生形变时所产生的弹性力；变时所产生的弹性力；电流电流强度强度相当于滚珠轴承粒子的相当于滚珠轴承粒子的流动。流动。51位移电流位移电流 在第二篇论文中麦克斯韦引进了位移电流在第二篇论文中麦克斯韦引进了位移电流的概念：即由轴承粒子的位移产生的电的概念：即由轴承粒子的位移产生的电流。从位移电流概念出发能导出重要的结流。从位移电流概念出发能导出重要的结论。论。 麦克斯韦计算了媒质中电粒子振动的传播麦克斯韦计算了媒质中电粒子振动的传播速度几乎等于当时测得的真空中的光速。速度几乎等于当时测得的真空中的光速。 于是麦克斯韦大胆作出结论：光和引起
46、电于是麦克斯韦大胆作出结论：光和引起电磁现象的情形一样，是以太的横向振动。磁现象的情形一样，是以太的横向振动。52电磁场的动力学理论电磁场的动力学理论 麦克斯韦在麦克斯韦在18641864年发表了第三篇电磁学论文年发表了第三篇电磁学论文，对他的理论进行了重新构造。给出了现在，对他的理论进行了重新构造。给出了现在叫做叫做麦克斯韦方程组麦克斯韦方程组的电磁场偏微分方程的电磁场偏微分方程组。组。 在这篇论文里麦克斯韦首次把自己的理论称在这篇论文里麦克斯韦首次把自己的理论称为为电磁场理论电磁场理论。 麦克斯韦的电磁场理论是想通过具有力学特麦克斯韦的电磁场理论是想通过具有力学特征的媒质状态的变化来理解电
47、磁作用。征的媒质状态的变化来理解电磁作用。53电磁通论电磁通论 18731873年麦克斯韦发表了他的电磁理论集大成年麦克斯韦发表了他的电磁理论集大成之作之作电磁通论电磁通论。 他在该书的第一章中写道：这本书的立场是他在该书的第一章中写道：这本书的立场是把带电体之间所观测到的力学作用作为由媒把带电体之间所观测到的力学作用作为由媒质的力学状态引起的来研究。质的力学状态引起的来研究。 在麦克斯韦看来，所谓电磁场就是以太的某在麦克斯韦看来，所谓电磁场就是以太的某种力学状态。种力学状态。54麦克斯韦的理论表明：麦克斯韦的理论表明： 电与磁不能孤立地存在，哪里有电，哪里就有电与磁不能孤立地存在，哪里有电，
48、哪里就有磁；哪里有磁，哪里就有电。磁；哪里有磁，哪里就有电。 电粒子的振荡产生电磁场，电磁场由振源以固电粒子的振荡产生电磁场，电磁场由振源以固定的速度定的速度c c向外辐射电磁波。向外辐射电磁波。 麦克斯韦进一步预言光由电粒子振荡产生，所麦克斯韦进一步预言光由电粒子振荡产生，所以也是一种电磁辐射。电粒子可以以任何速度以也是一种电磁辐射。电粒子可以以任何速度振荡，所以应该有一整套的电磁辐射，可见光振荡，所以应该有一整套的电磁辐射，可见光只不过是其中的一部分。只不过是其中的一部分。55意义意义 麦克斯韦电磁理论作麦克斯韦电磁理论作为宏观电磁学的完整为宏观电磁学的完整理论，第一次揭示了理论，第一次揭
49、示了光、电、磁的统一性光、电、磁的统一性，是近代以来物理学，是近代以来物理学第三次理论大综合，第三次理论大综合，标志着经典物理学已标志着经典物理学已发展到巅峰。发展到巅峰。麦克斯韦速率分布函数麦克斯韦速率分布函数 麦麦克克斯斯韦韦56预言的证实预言的证实 他的预言在不久的将他的预言在不久的将来（来（18881888）得到了证实）得到了证实，但是麦克斯韦因为患，但是麦克斯韦因为患有癌症，不到五十岁（有癌症，不到五十岁（18791879）就去世了。）就去世了。 如果他有正常人的如果他有正常人的寿数，是能够活着看到寿数，是能够活着看到自己的一个一个科学预自己的一个一个科学预言被证实。言被证实。57他
50、作出的比他知道的还要好他作出的比他知道的还要好 然而他也会看到他为了解释电磁波在空然而他也会看到他为了解释电磁波在空间传播而精心构建的以太理论被证明是间传播而精心构建的以太理论被证明是不必要的。不必要的。 他的电磁场方程组不依赖他对以太的解他的电磁场方程组不依赖他对以太的解释。释。 麦克斯韦去世后二十多年，爱因斯坦几麦克斯韦去世后二十多年，爱因斯坦几乎推翻了整个乎推翻了整个“ “经典物理学经典物理学” ”，而麦克斯，而麦克斯韦方程组仍保持不变，同过去一样仍旧韦方程组仍保持不变，同过去一样仍旧适用。适用。58599、静夜四无邻，荒居旧业贫。四月-21四月-21Sunday, April 04,
