講稿復(fù)件復(fù)件復(fù)件物理學(xué)與社會進步(I)

1、物理學(xué)與社會進步：電學(xué)篇物理學(xué)與社會進步：電學(xué)篇 熱機的應(yīng)用熱機的應(yīng)用極大提高了勞動效率，促進了第極大提高了勞動效率，促進了第一次工業(yè)革命。加之英國實現(xiàn)了君主立憲的資一次工業(yè)革命。加之英國實現(xiàn)了君主立憲的資本主義制度，英國率先完成第一次工業(yè)革命，成本主義制度，英國率先完成第一次工業(yè)革命，成為當(dāng)時第一號強國，號稱為當(dāng)時第一號強國，號稱“日不落日不落”帝國。帝國。 第二次工業(yè)革命是在第二次工業(yè)革命是在電磁學(xué)電磁學(xué)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，從此人類告別了從此人類告別了黑暗，進入了光明黑暗，進入了光明的時代。的時代。 首先研究電磁學(xué)的歷史及歷史人物做的貢獻；其首先研究電磁學(xué)的歷史及歷史人物做

2、的貢獻；其次研究電磁學(xué)對社會進步的貢獻和今日電磁學(xué)。次研究電磁學(xué)對社會進步的貢獻和今日電磁學(xué)。2、靜磁學(xué)的發(fā)展、人物和應(yīng)用靜磁學(xué)的發(fā)展、人物和應(yīng)用在西方，第一個記述磁現(xiàn)象的人是泰利斯，在小在西方，第一個記述磁現(xiàn)象的人是泰利斯，在小亞細亞亞細亞Magnesia發(fā)現(xiàn)了磁鐵礦，發(fā)現(xiàn)了磁鐵礦，Magnet來自于來自于地名。地名。系統(tǒng)研究是英國醫(yī)生吉爾伯特（英國女王伊麗莎系統(tǒng)研究是英國醫(yī)生吉爾伯特（英國女王伊麗莎白一世的御醫(yī)），把磁石加工成白一世的御醫(yī)），把磁石加工成“小地球小地球”，模，模擬擬“地磁地磁”，研究磁偏角。，研究磁偏角。在中國，磁礦，對鐵有吸引力，是鐵的母體，管在中國，磁礦，對鐵有吸引力，

3、是鐵的母體，管仲稱為仲稱為“慈石慈石”；秦始皇修阿房宮，做了磁鐵門；秦始皇修阿房宮，做了磁鐵門；公元前公元前4世紀(jì)，利用磁體做世紀(jì)，利用磁體做“司南司南”，指明方向，指明方向，指南針，鄭和下西洋。指南針，鄭和下西洋。1、靜電學(xué)的開端、靜電學(xué)的開端古代的中國與電古代的中國與電中國，三千多年前的中國，三千多年前的甲骨文中已經(jīng)有了甲骨文中已經(jīng)有了“電電”，所指的雷電。公元前所指的雷電。公元前2世紀(jì)的方士們用元氣論解世紀(jì)的方士們用元氣論解釋了雷電的形成。提出：釋了雷電的形成。提出：“陰陽相薄為雷，激揚陰陽相薄為雷，激揚為電為電”（西漢劉安（西漢劉安淮南子淮南子.墜形訓(xùn)墜形訓(xùn)），并發(fā)明），并發(fā)明了名叫了

4、名叫“砥吻砥吻”的避雷裝置（唐代王睿的避雷裝置（唐代王睿灸殼灸殼子子）。）。評述：評述：元氣論認(rèn)為，萬物的基本成分是陰、陽二氣。類似于我們元氣論認(rèn)為，萬物的基本成分是陰、陽二氣。類似于我們說的正電、負(fù)電，有無說的正電、負(fù)電，有無“粒子性粒子性”沒有說明。沒有說明?！瓣庩栂啾?，陰陽相薄，激揚激揚”有有“陰氣、陽氣相互摩擦陰氣、陽氣相互摩擦”的含義。的含義。 “砥吻砥吻”原原指神話傳說中的能夠噴浪降雨的大魚，后來指的是屋脊兩指神話傳說中的能夠噴浪降雨的大魚，后來指的是屋脊兩端的魚尾裝磚瓦。雨天的屋面和墻壁是與大地相同的導(dǎo)體，端的魚尾裝磚瓦。雨天的屋面和墻壁是與大地相同的導(dǎo)體，通過通過“砥吻砥吻”的

5、的尖端放電尖端放電可以達到避雷的目的?？梢赃_到避雷的目的。希臘哲學(xué)家泰利斯（前希臘哲學(xué)家泰利斯（前6世紀(jì)）記錄了織工們的發(fā)現(xiàn)：毛皮世紀(jì)）記錄了織工們的發(fā)現(xiàn)：毛皮摩擦過的摩擦過的琥珀琥珀具有吸引輕小物體的能力。具有吸引輕小物體的能力。16世紀(jì)，英國醫(yī)生吉爾伯特，英國女王伊麗莎白一世的御世紀(jì)，英國醫(yī)生吉爾伯特，英國女王伊麗莎白一世的御醫(yī)，對金剛石、硫磺、明礬等物質(zhì)做了實驗，摩擦后能夠獲醫(yī)，對金剛石、硫磺、明礬等物質(zhì)做了實驗，摩擦后能夠獲得吸引輕小物體的能力。稱為電性。得吸引輕小物體的能力。稱為電性。琥珀琥珀,希臘文希臘文 ,英語英語electron, electricity.蓋里克，多才多藝的工程

6、師，擔(dān)任德國馬德堡市長蓋里克，多才多藝的工程師，擔(dān)任德國馬德堡市長35年。年。1654做了馬德堡半球?qū)嶒炞隽笋R德堡半球?qū)嶒?1660年，用硫磺球做實驗，布年，用硫磺球做實驗，布帛與之摩擦，發(fā)明了一臺帛與之摩擦，發(fā)明了一臺產(chǎn)生大量電荷的摩擦起電機產(chǎn)生大量電荷的摩擦起電機，用，用起電機帶電吸引輕小物體羽毛。實驗裝置起電機帶電吸引輕小物體羽毛。實驗裝置 二、電磁理論的建立二、電磁理論的建立 1. 開始開始2. 發(fā)展發(fā)展伽伐尼伽伐尼 伏達伏達庫侖扭秤庫侖 伏打電池堆羅賓遜羅賓遜,12rf06. 0卡文迪許，貴族，科學(xué)研究卡文迪許，貴族，科學(xué)研究中，比庫倫早中，比庫倫早11年；米切爾與卡文迪許的友誼。年

7、；米切爾與卡文迪許的友誼。02. 0庫倫庫倫,12rf04. 0萬有引力理論的指導(dǎo)（類比）實驗萬有引力理論的指導(dǎo)（類比）實驗1610) 1 . 37 . 2(1971年，測到的精度年，測到的精度真空中真空中,點電荷點電荷q1、 q2，相距為，相距為r圖10-1q1q2rF實驗規(guī)律：實驗規(guī)律：221rqqF 方向：方向：同性相斥同性相斥，異性相吸異性相吸221rqqkF 229/.100 . 9CmNk041k22120./1085. 841mNCk 0稱為真空介電常數(shù)稱為真空介電常數(shù)庫侖定律庫侖定律221041rqqF庫侖定律庫侖定律roerqqF22141(10-1) er 是從點電荷是從點

8、電荷q1指向點電荷指向點電荷q2的的單位矢量單位矢量。 q1q2rF圖10-1re 庫侖定律的適用范圍：庫侖定律的適用范圍：點電荷點電荷 若帶電體不能視為點電荷，則采用若帶電體不能視為點電荷，則采用“化整為零，集零化整為零，集零為整為整”方法處理。方法處理。作用作用產(chǎn)生產(chǎn)生電荷電荷q1 產(chǎn)生產(chǎn)生電場電場作用作用電荷電荷q2q1q2rF圖10-1re已證實：已證實： 電荷電荷q1和和q2沒有接觸，是如何發(fā)生相互沒有接觸，是如何發(fā)生相互作用的呢？作用的呢？什么是電場？如何描述電場？什么是電場？如何描述電場？電場和電場強度電場和電場強度電場和電場強度電場和電場強度一、電場：一、電場：存在于存在于電荷

9、電荷周圍的一種周圍的一種特殊特殊的的物質(zhì)物質(zhì)物質(zhì)性：物質(zhì)性：電場對處于場中的電荷有力作用電場對處于場中的電荷有力作用 電場力對場中的運動電荷做功，電場具有電場力對場中的運動電荷做功，電場具有能量能量 電場能與其他物質(zhì)（導(dǎo)體、電介質(zhì)）相互電場能與其他物質(zhì)（導(dǎo)體、電介質(zhì)）相互作用作用特殊性：特殊性：區(qū)別于實體物質(zhì)，電場具有空間疊加性。區(qū)別于實體物質(zhì)，電場具有空間疊加性。靜電場：靜電場：由相對于觀察者靜止的電荷激發(fā)的電場由相對于觀察者靜止的電荷激發(fā)的電場具體講：具體講：q0為正，則為正，則 與與q0受力方向相同受力方向相同Eq0為負(fù)，則為負(fù)，則 與與q0受力方向相反受力方向相反Eqq0EF0qFE

10、qq0F q0因極性不同，受力方向不同，但因極性不同，受力方向不同，但q0所在處場強的方所在處場強的方向是唯一的。由場源電荷向是唯一的。由場源電荷q的電性決定的電性決定.q為正，為正， 背向背向qEq為負(fù)，為負(fù)， 指向指向qEE三三.、場強疊加原理、場強疊加原理E1q2E2-q3E3q4E4q1P若：第若：第i個點電荷在個點電荷在P點激點激發(fā)的電場為發(fā)的電場為Ei則：則：P點總場強點總場強niiE1E注意：注意： 是各是各 的的矢量和矢量和 EiE若電荷為連續(xù)分布的帶電體，則取電荷元若電荷為連續(xù)分布的帶電體，則取電荷元dqdEVEdEVEdE若各若各 同向時，同向時，dEdEEdE若各若各 不

11、同向時，不同向時，kdEjdEidEEdzyxxxdEEyydEEzzdEE222zyxEEEE方向：方向：EExcosEEycosEEzcos四、場強的計算四、場強的計算1.點電荷點電荷q的電場的電場qr.Pre圖10-2rooerqqF241oqFE (10-5)roerq24E 的大小：的大?。?4rqEo 若若q0,電場方向由點電荷沿徑向指向四周；若電場方向由點電荷沿徑向指向四周；若qR），軸線上磁場），軸線上磁場nIB0)cos(cos2120nIBP1221, 012 安培其人安培其人、研究方法、成就、意義研究方法、成就、意義14 安培與畢奧安培與畢奧-薩伐尓的成就、爭論、意義薩伐

12、尓的成就、爭論、意義和啟示和啟示（1） 力線的觀點力線的觀點兩點兩點(c)一對等量正電荷一對等量正電荷(d)一對等量異號電荷一對等量異號電荷3、法拉第的貢獻、法拉第的貢獻媒介作用；空間疊加性媒介作用；空間疊加性磁力線圖磁力線圖首先介紹幾種簡單的電磁感應(yīng)現(xiàn)象。首先介紹幾種簡單的電磁感應(yīng)現(xiàn)象。 IiIiI(t)Ii（2） 電磁感應(yīng)電磁感應(yīng),嬰兒的故事嬰兒的故事 電磁感應(yīng)定律由法拉第1831年提出，但他未給出定量的數(shù)學(xué)表達式。定律形式由（F.Neumann）1845年給出?？紤]到楞次定律，加了個負(fù)號。 電磁感應(yīng)定律問世是一個大事，為人類進入電氣時代奠定了基礎(chǔ)。當(dāng)法拉第表演其實驗時，貴婦人取笑道：你發(fā)

13、明的這個玩意兒有什么用？法拉第說：夫人，新生的嬰兒有什么用？過了30年，西門子1867年發(fā)明了發(fā)電機。法拉第卻在1867年坐在輪椅上悄悄告別人世。 法拉第一生過著清貧的日子。不少公司和廠家愿以重金聘請他擔(dān)任顧問，他拒絕了。其學(xué)生丁鐸兒說：這位鐵匠的兒子，定書商的學(xué)徒，可以得到15萬鎊的財富。另一方面是沒有報酬的學(xué)問。他選擇了后者，過著貧困的日子。這使得英國的科學(xué)聲譽比別國都高，獲得了接近40年的光榮。1 分子運動論2 麥克斯韋方程組A 隨時間變化的磁場可以產(chǎn)生電場旋渦電場：區(qū)別于靜電場B 變化的電場可以產(chǎn)生磁場C 波速二、電磁理論的完成BIab 靜電場：靜電場：由電荷產(chǎn)生，是保守力場；電力線起

14、于正由電荷產(chǎn)生，是保守力場；電力線起于正電荷，止于負(fù)電荷，不形成閉合曲線。電荷，止于負(fù)電荷，不形成閉合曲線。 感生電場：感生電場：由由變化的磁場變化的磁場激發(fā)，激發(fā)，是非保守力場是非保守力場；其；其電力線是電力線是閉合曲線閉合曲線, 故又稱為故又稱為渦旋電場渦旋電場。 4.感生電場與靜電場的感生電場與靜電場的比較比較感生電場的方向可用感生電場的方向可用楞次定律楞次定律來確定。來確定。 感生電場感生電場Ei的電力線是的電力線是圍繞磁力線圍繞磁力線的的閉合曲線閉合曲線；位移電流密度：位移電流密度：位移電流強度：位移電流強度：dtdIed (12-19)即即:電場中某點的電場中某點的位移電流密度位移

15、電流密度等于該點等于該點電位移矢量電位移矢量對時間對時間的變化率的變化率；通過電場中某面積的；通過電場中某面積的位移電流強度位移電流強度等于通過該面積的等于通過該面積的電位移通量電位移通量對時間對時間的變化率的變化率。 麥克斯韋認(rèn)為麥克斯韋認(rèn)為:變化的電場是一種變化的電場是一種電流電流，即，即位移電流位移電流。麥克斯韋指。麥克斯韋指出：出：dtDdJd(12-18)圖12-39kIlE+q-q麥克斯韋方程組的意義：麥克斯韋方程組的意義：(1)概括、總結(jié)了一切宏觀電磁現(xiàn)象的規(guī)律。概括、總結(jié)了一切宏觀電磁現(xiàn)象的規(guī)律。(2)預(yù)見了電磁波的存在。預(yù)見了電磁波的存在。變化的磁場激發(fā)電場變化的磁場激發(fā)電場

16、變化的電場激發(fā)磁場變化的電場激發(fā)磁場 電磁場這樣交替激發(fā)，就可以離開場源而在空間作電磁場這樣交替激發(fā)，就可以離開場源而在空間作為一個整體傳播開去，從而形成電磁波。為一個整體傳播開去，從而形成電磁波。圖12-43i變化的磁場產(chǎn)生的變化的磁場產(chǎn)生的電場和磁場相互垂直電場和磁場相互垂直。1.波速波速真空中：真空中： 可見可見,真空中電磁波的傳播速度即為真空中電磁波的傳播速度即為光速光速。這與實驗。這與實驗結(jié)果一致。這也表明結(jié)果一致。這也表明,光波光波就是在某一波段的就是在某一波段的電磁波電磁波。coo1 = c。2.電磁波是橫波電磁波是橫波 E，H的方向與傳播方向垂直的方向與傳播方向垂直。(傳播方向

17、)xEyHz1 發(fā)現(xiàn)了電磁波2 電磁波的波速、類光實驗反射、聚焦、衍射、折射、干涉麥克斯韋的理論取得了決定性勝利?！白耘ｎD以后世界上最偉大的數(shù)學(xué)物理學(xué)家”。愛恩斯坦感嘆說：“物理學(xué)家花了幾十年時間理解麥克斯韋的理論，赫茲的實驗以后，對新理論的抵抗才被打垮”。 赫茲在物理學(xué)上的主要貢獻是發(fā)現(xiàn)電磁波。當(dāng)時人赫茲在物理學(xué)上的主要貢獻是發(fā)現(xiàn)電磁波。當(dāng)時人們對電磁理論的認(rèn)識還很不一致。們對電磁理論的認(rèn)識還很不一致。18791879年，亥姆霍茲為年，亥姆霍茲為柏林科學(xué)院設(shè)計的重金懸賞中，提出了用實驗驗證麥克柏林科學(xué)院設(shè)計的重金懸賞中，提出了用實驗驗證麥克斯韋電磁波的理論和預(yù)言。斯韋電磁波的理論和預(yù)言。 1

18、8941894年年1 1月月1 1日。因血液中毒在波恩逝世，年僅日。因血液中毒在波恩逝世，年僅3636歲。為歲。為了紀(jì)念他的卓越貢獻，將頻率的單位命名為赫茲。了紀(jì)念他的卓越貢獻，將頻率的單位命名為赫茲。 愛因斯坦評價說：愛因斯坦評價說：“只是等到赫茲以實驗證實了麥克只是等到赫茲以實驗證實了麥克斯韋電磁波的存在以后，對新理論的抵抗才被打垮。斯韋電磁波的存在以后，對新理論的抵抗才被打垮。”可可以說，赫茲的卓越實驗，為麥克斯韋的理論添上了至關(guān)重以說，赫茲的卓越實驗，為麥克斯韋的理論添上了至關(guān)重要的一筆。其后迅速發(fā)展起來的無線通訊技術(shù)，則是直接要的一筆。其后迅速發(fā)展起來的無線通訊技術(shù)，則是直接受惠于赫

19、茲的無與倫比的實驗。受惠于赫茲的無與倫比的實驗。 一項偉大的科學(xué)成果從發(fā)現(xiàn)到為人類所利用，往一項偉大的科學(xué)成果從發(fā)現(xiàn)到為人類所利用，往往需要經(jīng)過幾代人前赴后繼的努力。麥克斯韋預(yù)言電往需要經(jīng)過幾代人前赴后繼的努力。麥克斯韋預(yù)言電磁波的存在，但卻沒有能通過親手實驗證實他的預(yù)言磁波的存在，但卻沒有能通過親手實驗證實他的預(yù)言；赫茲透過閃爍的火花，第一次證實電磁波的存在，；赫茲透過閃爍的火花，第一次證實電磁波的存在，但卻但卻斷然否認(rèn)利用電磁波進行通信的可能性斷然否認(rèn)利用電磁波進行通信的可能性。他認(rèn)為。他認(rèn)為，若要利用電磁波進行通信，需要有一面面積與歐洲，若要利用電磁波進行通信，需要有一面面積與歐洲大陸相

20、當(dāng)?shù)木扌头瓷溏R。大陸相當(dāng)?shù)木扌头瓷溏R。 馬可尼自幼便有廣泛的愛好，對電學(xué)、機械學(xué)、馬可尼自幼便有廣泛的愛好，對電學(xué)、機械學(xué)、化學(xué)都有濃厚的興趣?；瘜W(xué)都有濃厚的興趣。1313歲便在赫茲證實電磁波存在歲便在赫茲證實電磁波存在的論文的啟發(fā)下，萌發(fā)了利用電磁波進行通信的大膽的論文的啟發(fā)下，萌發(fā)了利用電磁波進行通信的大膽設(shè)想。他時而在閣樓上，時而在庭院或農(nóng)場里進行無設(shè)想。他時而在閣樓上，時而在庭院或農(nóng)場里進行無線電通信的試驗。線電通信的試驗。 18971897年，馬可尼建立了世界上第一家年，馬可尼建立了世界上第一家無線電器材公司無線電器材公司美國馬可尼公司。美國馬可尼公司。18981898年，英國舉行游

21、艇賽，終點是距海岸年，英國舉行游艇賽，終點是距海岸2020英里的海上。英里的海上。都柏林快報都柏林快報特聘馬可特聘馬可尼用無線電傳遞消息，游艇一到終點，他尼用無線電傳遞消息，游艇一到終點，他便通過無線電波，使岸上的人們立即知道便通過無線電波，使岸上的人們立即知道勝負(fù)結(jié)果，觀眾為之欣喜若狂?？梢哉f，勝負(fù)結(jié)果，觀眾為之欣喜若狂。可以說，這是無線電通信的第一次實際應(yīng)用。這是無線電通信的第一次實際應(yīng)用。 19091909年，馬可尼獲年，馬可尼獲得諾貝爾物理學(xué)獎得諾貝爾物理學(xué)獎，這年他才，這年他才3535歲。歲。 馬可尼發(fā)送第一封無線馬可尼發(fā)送第一封無線電報的設(shè)備復(fù)制品電報的設(shè)備復(fù)制品西門子發(fā)電機、雅克

22、比電動機（12乘客航行）變壓器的發(fā)明與輸電、交流電電力傳輸系統(tǒng)1萬伏特電壓 從七公里外送到倫敦，降到100V，給用戶使用。電燈：鉑金絲、碳弧光燈、鎢絲電報機：莫爾斯電碼，海底電報電纜，開爾文無線電傳播：馬可尼、波波夫，過英吉利海峽，1901年過加拿大到英國。二極管、三極管電子管二極管、三極管電子管1923年美國從華盛頓到費城發(fā)送了哈丁總統(tǒng)的照片；1928年美國出現(xiàn)電視臺。無線電廣播、電視量子力學(xué)與半導(dǎo)體二極管、電子計算機 亨利的故事。電磁波發(fā)射與接收裝置電磁波發(fā)射與接收裝置 汽車是個靜電屏蔽室汽車是個靜電屏蔽室平面簡諧波平面簡諧波如果原點的振動表達式如果原點的振動表達式:tAycos0沿沿x正

23、方向傳播正方向傳播的平面簡諧波的波動式的平面簡諧波的波動式:)(cosxtAy平面波的動力學(xué)方程平面波的動力學(xué)方程222221tyxy(為波速為波速)上冊上冊p173tBEtEB00tEjB001 赫茲發(fā)現(xiàn)電磁波接受線圈平行發(fā)射線圈(氖管發(fā)光)接受線圈垂直發(fā)射線圈(氖管不亮)磁場電場tEB00tEjB00tBEtBE2200tEE2200)()(tEEE00 E2200222222)(tEEzyx2200222222)(tEEzyx220022tExEyy222221tyxy00211smc/1031800)(cos0cxtEEy(傳播方向)xEyHzsmc/1031800真空中的光速對那個參

24、考系而言？真空中的光速與參考系無關(guān)！2 光速不變原理 狹義相對論和廣義相對論電磁波在真空中的傳播速度和真空中的光速相等，說明光是某一頻率范圍內(nèi)的電磁波1光學(xué)和電磁學(xué)統(tǒng)一起來了。)(cos0cxtEjE電磁波是橫波，那么光波呢？3 糾正光是縱波的假設(shè)馬呂斯定律(傳播方向)xEyHz1 古代中國在電磁學(xué)的發(fā)展和應(yīng)用中作的貢獻2 西方在庫倫定律發(fā)現(xiàn)之前在電磁學(xué)的發(fā)展和應(yīng)用中作的貢獻3 和西方相比，中國為什么在電磁場的研究和發(fā)展以及應(yīng)用中落伍了？給了我們什么啟示？4 庫倫定律是如何建立的？5 卡文迪許的性格與成就思考題與作業(yè)題：6伽伐尼伽伐尼 的成就、得失的成就、得失7 伏打的人格、研究方法、成就、意義的人格、研究方法、成就、意義8 富蘭克林其人，對天電、地電的統(tǒng)一，啟示9 奧斯特實驗裝置、對電磁學(xué)的發(fā)展貢獻、奧斯特實驗裝置、對電磁學(xué)的發(fā)展貢獻、意義、啟示意義、啟示10 安培其人安培其人、研究方法、成就、意義研究方法、成就、意義1