物理与文化 第三章从静电现象到电磁波

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二、伏打电堆的发明 第3章 静电到电磁波
伏打发现当金属浸入某些液体时，也会发 生同样的电流效应。伏打开始是用几只碗盛了 盐水，把几对黄铜和锌做成的电极连接起来， 就有电流产生。
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本章将涉及下面一些科学家以第及3他章们静的电重到大电发磁现波， 他们是：库仑、奥斯特、安培、法拉第和麦克斯韦等。
库 仑
奥 斯 特
安 培
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法 拉 第
麦 克 斯 韦
§3.1 静电和静第磁3章现静象电的到研电磁究波
一、静磁和静电现象的早期研究
古希腊米利都学派——泰勒斯（科学之。。）
公元前600年前后，泰勒斯看在到当时 的希腊人通过摩擦琥珀吸引羽毛,用磁 铁矿石吸引铁片的现象，曾对其原因 进行过一番思考。据说他的解释是： “万物皆有灵。磁吸铁，故磁有灵。” 这里所说的“磁”就是磁铁矿石。
最早总结前人对电磁研究的 第3章 静电到电磁波
大量经验，讨论电磁体性质的英国医生
吉尔伯特。
剑桥大学医学博士。毕业后已成为
英国名医。由于他医术高明，1601年 担任英国女王伊丽莎白一世的御医，直到1603年
11月30日逝世。
• 吉尔伯特在科学方面的兴趣，远远超出了医学范围。 在化学和天文学方面有渊博的知识，但他研究的主要 领域还是在物理学中。
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日本汤川秀树也是类比法的成功运第用3者章，他静通电过到将电核磁力波
和电磁力类比，成功地提出了核力的介子理论。他说： “类比是一种创造性思维的形式，……假定存在一个人所 不能理解的某物，他偶尔注意到这一物和他所熟悉的另一 物的相似性。他通过将两者比较就可以理解他在此刻之前 尚不能理解的某物。如果他的理解是恰当的，而且还没有 人达到这样的理解，那么可以说，他的思维确实是创造性 de。” 必须指出：有时简单的类比也会导致错误的结果。如惠 更斯类比声波，认为光波也是纵波就错了。可见类比结果 是否正确还得由实验检验。
——爱因斯坦
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第3章 静电到电磁波
伽利略和牛顿所取得如此伟大成就，是因为他 们把科学思维和实验研究很好地结合在一起，为力 学的发展开辟了一条正确的道路。dan企图用力学 解释一切自然规律 。。。
电学、磁学构成了经典物理学的另一重要分支。 随着一个个电磁学研究成果的取得，企图把全 部物理学归纳为力学的机械论观点(称为力学自然观) 宣告彻底失败。
物理学家
1785-1789年，用库仑扭秤
（1736—1806） 测量静电力和磁力，导出著名的
库仑定律。
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比，确库信仑并于提1出78了5年库用仑电定扭律秤实验，通第过3与章万静有电引到力类电磁波
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“我想告诉你一个新奇但是可怕的实验事实，但我警告你无 论如何也不要再重复这个实验突然，我的手受到了一下力量 很大的打击，使我的全身都震动了手臂和身体产生了一种无 法形容的恐怖感觉。一句话，我以为我命休矣！”
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第3章 静电到电ຫໍສະໝຸດ Baidu波
虽然马森布罗克不愿再做这个实验，但他由此得出结论： 把带电体放在玻璃瓶内可以把电保存下来。只是当时搞不清 楚起保存电作用的究竟是瓶子还是瓶子里的水，后来人们就 把这个蓄电的瓶子称作“莱顿瓶”，这个实验称为“莱顿瓶 实验”。这种“电震”现象的发现，轰动一时，极大的增加 了人们对莱顿瓶的关注。
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第3章 静电到电磁波
莱顿瓶的发明，使物理学家们第 一次有办法存储大量电荷，并对 其性质进行研究。
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第3章 静电到电磁波
法国人诺莱特在巴黎进行的莱顿瓶表演（法国国王路易十五 及皇室成员临场观看,700人同时跳起来）
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二、从定性到定量——库仑定律的发现
库仑定律
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第3章 静电到电磁波
1791年意大利物理学家亚历山德罗 · 伏打 得知伽伐 尼的这一发现，引起了他的极大兴趣，作了一系列实验，甚至 还在自己身上做实验。他用两种金属接成一根弯杆，一端放在 嘴里，另一端和眼睛接触，在接触的瞬间就有光亮的感觉产生。
他用舌头舔着一枚金币 和一枚银币，然后用导线把硬币连接 起来，就在连接的瞬间，舌头有发麻的感觉。这些实验证明： 电不仅能够产生颤动，而且还会影响视觉和味觉神经。
摩擦起电机
• 1660年左右,著名的德国科学家
第3章 静电到电磁波
• 格里克(1602—1686)发明了
• 摩擦起电机。如图1所示他用
• 婴孩头般大小的玻璃瓶,把研成
• 粉末的硫磺倒入其中，加热玻璃球使硫磺熔为液态， 冷却后，打碎玻璃瓶就得到一个硫磺球。
•
在硫磺球中插入一根铁轴，安装在支架上，使其
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第3章 静电到电磁波
文艺复兴时期，主要的研究方法就是思考，而 吉尔伯特主张真正的研究应该以实验为基础，他提 出这种主张并付诸实践，
在这点上，可以说吉尔伯特是近代科学研究方 法的开创者。
相比静磁现象，静电研究困难得 多。直到第一台摩擦起电机发明 后，对静电研究才迅速开展起来。
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第3章 静电到电磁波
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第3章 静电到电磁波
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汽车防抱死制动系统（ABS第）3章 静电到电磁波
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第三章 从静电现第象3章到静电电到磁电波磁波
“自从牛顿奠定理论物理学基础以来，物理 学的公理基础——换句话说，就是我们关于实在 结构的概念——最伟大的变革，是由法拉第和麦 克斯韦在电磁学方面的工作所引起的。”
希腊人把琥珀叫做“elektron”，他们认为琥珀吸 引羽毛是神灵或者魔力的作用。英语 Electricity （电）这个字的起源就来自希腊文的“琥珀”(elec tron)。
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在东方，中国人民早在公 元前2500年前后就已经具 有天然的磁石知识。古人 将磁石称为慈石来形容磁 石“以为母也，故能引其 子”的功能。
第3章 静电到电磁波
最早的文字“雷”“电”
据《吕氏春秋》一书记载， 中国在公元前1000年前后 就已经有指南针，他们在 古代就已经用磁针来辨别 方向了。
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我国东汉时期， 王充 （ 公 元 89 年 ） 在 《 论 衡 》 一书中提到“顿牟掇芥”等 问题，也是说摩擦过的 琥珀能吸引轻小物体。
1793年伏打发表一篇论文，总结了自己的实验，不同意伽伐 尼关于动物生电的观点。伏打在伽伐尼实险的基础上，致力研 究两种不同金属的接触。
他得出了新的结论，认为两金属不仅仅是导体，而且是由 它们产生电流的。用伏打自己的话来说：金属是真正的电流激 发者，而神经是被动的。伏打并把这种电流命名为“金属的” 或“接触的”电流。他为了尊重伽伐尼的最先发现权，把这种 物电理流与称文为化“伽伐尼电流”。
他以严谨的科学态度，选择各种不同 的金属，例如铜和铁或铜和银，接在一起， 而把另两端分别与死蛙的肌肉和神经接触， 青蛙就会不停地屈伸抽动。如果用玻璃、 橡胶、松香、干木头等代替金属，就不会 发生这样的现象。他认为这是一种生物电 现象，并于1791年发表了题为《关于电对 肌肉运动的作用》的论文。
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§3.2 电流的产生及其磁效应 ——由静电到第动3章电静电到电磁波
一、伽伐尼电流的发现
1780年，意大利科学家伽伐尼在一次解剖青蛙 时有一个偶然的发现，一只已解剖的青蛙放在一个 潮湿的铁案上，当解剖刀无意中触及蛙腿上外露的 神经时，死蛙的腿猛烈地抽搐了一下。伽伐尼立即 重复了这个实验，又观察到同样的现象。
第3章 静电到电磁波
类比万有引力，
科学家猜测电荷间作
用力与距离平方成反
比。
罗比逊实验，发现
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偏差 0.06
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罗比逊实验装置
第3章 静电到电磁波
卡文迪许利用两个同心球的实验证明了上述规律， 他得到δ=0.02，可惜两人的工作都未发表。
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卡文迪许同心球实验装置
法国工程师、
实验+理论=科学
第3章 静电到电磁波 碰撞
日心说
牛顿运动 3定律
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笛卡尔 动量守恒
行星运动 3定律
万有。。 定律
第三章 从静电现第象3章到静电电到磁电波磁波
Radio
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第3章 静电到电磁波
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第3章 静电到电磁波
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第3章 静电到电磁波
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第3章 静电到电磁波
1734 年 法 国 人 杜 菲 （ Charles-Francois du Fay，1696～1739）在实验中发现带电的玻璃和 带电的琥珀是相互吸引的，但是两块带电的琥珀 或者两块带电的玻璃则是相互排斥的。杜菲根据 大量的实验事实断定电有两种：一种是与琥珀带 的电性质相同，叫做“琥珀电”；一种是与玻璃 带的电性质相同，叫做“玻璃电”。
第3章 静电到电磁波
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我国在北宋初 （ 960年到 1127年 ）就知道利用人工 磁化方法制成指南针。 当时还发现磁偏角、磁 倾角等问题。
第3章 静电到电磁波
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• 13、14世纪，罗盘在航 海中得到了应用。这种 罗盘在1492年哥伦布发 现美洲新大陆以及1519 年麦哲伦发现环绕地球 一周的航线时发挥了重 要的作用。
计算表明，库仑力远大于万有引力
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三、从库仑定律的建立看，类第比3章方静法电的到重电要磁性波
库仑测得δ=0.04，但他断定力与距离成平方反比，是 成功运用类比方法的结果。 麦克斯韦对类比法的论述：“为了不用物理理论而得 到物理思想，我们必须熟悉物理类比的存在。
所谓物理类比，我指的是一种科学定律与另一种科 学定律之间的部分相似性。它使得这两种科学可以相互 说明。”
第3章 静电到电磁波
研究力学。 1777年开始研究静电和磁力问题。当时 法国科学院悬赏征求改良航海指南针中的 磁针问题。库仑认为磁针支架在轴上，必 然会带来摩擦，提出用细头发丝或丝线悬 挂磁针。 研究中发现线扭转时的扭力 和针转过的角度成比例关系，从 而可利用这种装置测出静电力和 磁力的大小，这导致他发明扭秤。
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发明了收集电荷的“莱顿瓶”。
马森布罗克看到好不容易取得的电很容易地在空气中消失， 所以想寻找一种保存电的方法。有一天，他用一支枪管悬在空 中，用起电机与枪管连着，另用一根铜线从枪管中引出，浸入 一个盛有水的玻璃瓶中，他让一个助手一只手握着玻璃瓶，马 森布罗克在一旁使劲摇动起电机。这时他的助手不小心将另一 只手碰到枪管上，他猛然感到一次强烈的电击，喊了起来。马 森布罗克于是与助手互换了一下，让助手摇起电机，他自己一 手拿水瓶子，另一只手去碰枪管。
其两极位于地理的南极和北极附近；
转变为科学。
• 第二卷详细地论述了电现象的实验研究与 结论，还把电与磁的性质进行了比较；
• 第三卷记载了天然磁石的定向性；
• 第四卷说明了磁偏角与不同地点和高度的 关系；
• 第五卷介绍了测定磁倾角的仪器及各地磁 倾角的大小；
• 第六卷试图用物体的磁力来解释行星运动， 当然，他没有成功。
•
他用观察、实验方法科学地研究了磁与电的现象，
并把多年的研究成果，写成名著《论磁》，于1600年
物在理与伦文敦化出版。
《论磁》共分六卷。
他第一个将琥珀
第3和章毛静皮摩电擦到后电吸磁引波
轻小物体的性质叫
• 第一卷介绍了他的磁性“小地球”实验， 做“电”。
得出结论：地球本身就是一个巨大的磁体， 使磁学从经验
能绕轴转动。转动硫磺球,把干手掌放在上面,球与手
掌摩擦,电便源源不断地产生出来，这就是最早的摩
擦起电机。
•
起电机发明后，科学家能够获得更强烈和丰富的
电现象，一大批学者被吸引到电现象这一新的研究领
域，此后，起电机不断断得到改进。
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维氏起电机
第3章 静电到电磁波
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第3章 静电到电磁波
1745年普鲁士（德国的前身）的一位副主教克莱斯特(17001748)在实验中利用导线将摩擦所起的电引向装有铁钉的玻璃瓶。
当他用手触及铁钉时，受到猛烈的一击，他由此发现了放 电现象。
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储存电荷 ——莱顿瓶的发明
第3章 静电到电磁波
• 德国人克莱斯特（ 1700—1748） 和荷兰物理学家马森布罗克（ 1692—1761） 于1745、1746年几乎同时发明了莱顿瓶。