物與文第三版電子教案第三章

版權(quán)所有復(fù)制必究高等教育出版社第三章從靜電現(xiàn)象到電磁波

“自從牛頓奠定理論物理學(xué)基礎(chǔ)以來，物理學(xué)的公理基礎(chǔ)——換句話說，就是我們關(guān)于實在結(jié)構(gòu)的概念——最偉大的變革，是由法拉第和麥克斯韋在電磁學(xué)方面的工作所引起的。”——愛因斯坦

伽利略和牛頓所取得如此偉大成就，是因為他們把科學(xué)思維和實驗研究很好地結(jié)合在一起，為力學(xué)的發(fā)展開辟了一條正確的道路。

電學(xué)、磁學(xué)構(gòu)成了經(jīng)典物理學(xué)的另一重要分支。隨著一個個電磁學(xué)研究成果的取得，企圖把全部物理學(xué)歸納為力學(xué)的機械論觀點(也稱為力學(xué)自然觀)宣告徹底失敗。本章主要涉及五位著名科學(xué)家以及他們的重大發(fā)現(xiàn)，他們是：庫侖、奧斯特、安培、法拉第和麥克斯韋。學(xué)習(xí)時應(yīng)重視他們的科學(xué)思維和科學(xué)研究方法。

本章將涉及的著名科學(xué)家：庫侖、奧斯特、安培、法拉第和麥克斯韋等。

庫侖奧斯特安培法拉第麥克斯韋

§3-1靜電和靜磁現(xiàn)象的研究一、靜磁和靜電現(xiàn)象的早期研究中國古代的貢獻：最早文字記載“雷”、“電”，發(fā)明指南針等。最早總結(jié)前人對電磁研究的大量經(jīng)驗，討論電磁體性質(zhì)的英國醫(yī)生吉爾伯特，他斷言：電與磁是兩種不同的現(xiàn)象。相比靜磁現(xiàn)象，靜電研究困難得多。直到第一臺摩擦起電機發(fā)明后，對靜電研究才迅速開展起來。富蘭克林在大氣電實驗的研究中發(fā)現(xiàn)了尖端放電，并發(fā)明了避雷針。尖端放電在現(xiàn)代高科技中有重要應(yīng)用:如制造范德格拉夫起電機,掃描隧穿顯微鏡等。吉爾伯特二、庫侖定律

類比萬有引力，科學(xué)家猜測電荷間作用力與距離平方成反比。羅比遜實驗，發(fā)現(xiàn)羅比遜實驗裝置偏差卡文迪許利用兩個同心球的實驗證明了上述規(guī)律，他得到δ=0.02，可惜兩人的工作都未發(fā)表?？ㄎ牡显S同心球?qū)嶒炑b置庫侖于1875年用電扭秤實驗，通過與萬有引力類比，確信并提出了庫侖定律C2/（N·m2）計算表明，庫侖力遠大于萬有引力。三、從庫侖定律的建立看，類比方法的重要性

庫侖測得δ=0.04，但他斷定力與距離成平方反比，是成功運用類比方法的結(jié)果。麥克斯韋對類比法的論述：“為了不用物理理論而得到物理思想，我們必須熟悉物理類比的存在。所謂物理類比，我指的是一種科學(xué)定律與另一種科學(xué)定律之間的部分相似性。它使得這兩種科學(xué)可以相互說明?！睖ㄐ銟湟彩穷惐确ǖ某晒\用者，他通過將核力和電磁力類比，成功地提出了核力的介子理論。他說：“類比是一種創(chuàng)造性思維的形式，……假定存在一個人所不能理解的某物，他偶爾注意到這一物和他所熟悉的另一物的相似性。他通過將兩者比較就可以理解他在此刻之前尚不能理解的某物。如果他的理解是恰當?shù)?，而且還沒有人達到這樣的理解，那么可以說，他的思維確實是創(chuàng)造性得到?！北仨氈赋觯河袝r簡單的類比也會導(dǎo)致錯誤的結(jié)果。如惠更斯類比聲波，認為光波也是縱波就錯了?？梢婎惐冉Y(jié)果是否正確還得由實驗檢驗?！?-2電流的產(chǎn)生及其磁效應(yīng)

一、從動物電研究到伏打電堆發(fā)明

伽伐尼發(fā)現(xiàn)“動物電”。伏打懷疑神經(jīng)電流的說法，從實驗發(fā)現(xiàn)了金屬的接觸電勢差，從而發(fā)明了伏打電堆。從此使電學(xué)從靜電領(lǐng)域到電流（動電）領(lǐng)域，實現(xiàn)了一大飛躍。伏打電堆被稱為“神奇的儀器”，還曾經(jīng)表演給拿破侖看。伏打的重大發(fā)明與他自小愛好科學(xué)，喜歡動手實驗分不開。

拿破侖伏打電堆

二、奧斯特發(fā)現(xiàn)電流磁效應(yīng)

奧斯特基于:（1）自然哲學(xué)思想—受康哲學(xué)思想影響,認為自然界各種基本力可以相互轉(zhuǎn)化。（2）已發(fā)現(xiàn)一些電可能會發(fā)生磁的跡象。

堅信電磁間有聯(lián)系，并開展電是否能產(chǎn)生磁的研究。奧斯持一次演講中，奧斯特偶然發(fā)現(xiàn)導(dǎo)線通電時，在它的下方的小磁針有一微小晃動。他抓住了這個現(xiàn)象，經(jīng)過3個月的反復(fù)實驗，發(fā)現(xiàn)了電流磁效應(yīng)。揭開了研究電與磁內(nèi)在聯(lián)系的序幕。法國著名生物學(xué)家巴斯德在講述奧斯特的發(fā)現(xiàn)時，說過一句名言：

“在觀察領(lǐng)域的一切機遇只偏愛有那些準備的頭腦。”

抓住機遇、重視意外發(fā)現(xiàn)是研究工作者的座右銘?？茖W(xué)史上許多重大發(fā)現(xiàn)是源于此。

這句名言已不限于觀察領(lǐng)域，也在社會上被廣泛使用。對這句名言你有什么體會？在此實驗中，磁針受到了一個旋轉(zhuǎn)力，機械觀對此無法解釋。

三、安培對電流磁效應(yīng)的深入研究

安培從磁體與磁體、電流與磁體相互作用，聯(lián)想并發(fā)現(xiàn)了通電導(dǎo)線之間有相互作用。并進一步發(fā)現(xiàn)了通電螺線管與條形磁鐵的等效性。安培實驗進一步使機械觀失效，并為法拉第提出“場”的概念打下了實驗基礎(chǔ)。安培載流直導(dǎo)線相互作用

載流螺線管與條形磁鐵等效

安培也通過理論研究，提出了計算兩載流回路之間的相互作用力的方法。對于作用在長為l兩載流直導(dǎo)線上的力為由此安培提出了著名的“磁性起源假說”：物質(zhì)磁性來自于內(nèi)部有電流，并可解釋物體可被磁化的現(xiàn)象及磁體被分割后仍有N、S極性現(xiàn)象。此假說，直到19世紀知道了原子結(jié)構(gòu)和物質(zhì)結(jié)構(gòu)的秘密，才真正知道這是“分子電流”。其中

I1

和

I2是兩導(dǎo)線中的電流，d為兩平行導(dǎo)線間的距離，在國際單位制中，常量μ0

為真空磁導(dǎo)率。

在安培的理論計算中，還是采用了牛頓處理力學(xué)的科學(xué)方法，可見機械觀影響之深。§3-3電磁感應(yīng)定律

一、電磁感應(yīng)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)1.哲學(xué)思想指導(dǎo)

法拉第的自然哲學(xué)思想：他與奧斯特一樣，堅信自然力的“統(tǒng)一性”，并追求這種統(tǒng)一性。他在實驗記錄中有這樣一段話：“長期以來，我就持有一種觀點，幾乎是一種信仰，我相信其他許多愛好自然知識的人也會共同有的，就是物質(zhì)的力表現(xiàn)出來時具有某種形態(tài)，都有一個共同的根源，或者換句話說，它們是相互直接聯(lián)系的，也是相互依賴的，所以它們似乎是可以互相轉(zhuǎn)化的。”

2.磁一定能產(chǎn)生電基于奧斯特已發(fā)現(xiàn)了電能產(chǎn)生磁，所以法拉第更是堅信：磁一定能產(chǎn)生電。

3.近10年的努力于1831年發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象。圖示4種方法：關(guān)鍵點是：產(chǎn)生感應(yīng)電流的回路都是處在一個變化的磁場中，一旦磁場變化停止，感應(yīng)電流就消失。這種現(xiàn)象稱為電磁感應(yīng)。

二、創(chuàng)造性的科學(xué)思維——磁感線與場概念的引入1.發(fā)現(xiàn)磁力線

法拉第于1831年底用鐵粉實驗展示并提出了“磁力線”（現(xiàn)稱磁感應(yīng)線）概念。他認為磁感應(yīng)線顯示了在磁體周圍空間是物理空間，其中存在“磁場”。利用磁感應(yīng)線在空間分布的疏密程度可以直觀地描述磁場的強弱?！懊堋北硎?/p>

“強”，“稀”表示“弱”。條形磁鐵周圍鐵屑沿磁感應(yīng)線排列

磁感應(yīng)強度是矢量，有大小和方向。在磁感應(yīng)線上某點的切線方向為該點磁感應(yīng)強度方向。人們又規(guī)定磁場的方向是將小磁針放在該點時，北極所指方向。

2.法拉第“場”概念的提出1.奧斯特和安培的一系列實驗工作使機械觀失效，需要新的思想來解釋實驗結(jié)果。

2.法拉第本人在磁力線實驗基礎(chǔ)上又進行了一系列實驗，說明在磁體周圍是物理空間。

3.法拉第不贊成電磁體之間相互作用是“超距作用”，而應(yīng)是“近距作用”，是通過“場”傳遞，這種傳遞需要一定的時間。這是歷史上第一次向英國科學(xué)界普遍認為的力的“超距作用”挑戰(zhàn)。在1831年提出磁力線，經(jīng)過14年于1845年才逐步形成和提出了“場”的概念?！皥觥钡母拍钐岢龅囊罁?jù)是：

在1832年3月12日法拉第在給皇家學(xué)會的一封備忘錄中提出了磁力不是超距作用。其中寫道：“磁作用的傳播需要時間,即當一個磁鐵作用于另一個遠處的磁鐵或者一塊鐵時,產(chǎn)生作用的原因(我認為可以稱之為磁)是逐漸地從磁體傳播開去的；這種傳播需要一定的時間,而這個時間顯然是非常短的?！薄⑶疫€以為這些傳播“可類比于起波紋的水之表面的振動,或空氣中的聲振動?！弊詈髮懙?“我想用實驗來證實這些觀點,但是由于我要用很多時間從事公務(wù),實驗只好拖延,可能在別人的觀察中得到。我希望,這篇備忘錄交給皇家學(xué)會保存,將來上述觀點被實驗證實,我就有權(quán)宣布在這個日期我已提出上述觀點?！?/p>

可見，在這里法拉第已提出了電磁波思想。

3.“場”概念引入的重大意義1.力線和場的概念的提出，不僅對電磁感應(yīng)和其他一系列電磁實驗可給以定量的物理描述，而且“場”的提出，表明電力和磁力是一種近距作用，即這種力是通過“場”進行傳播的，不是“超距作用”。

2.更重要的是：“場”的引入是物理學(xué)中極具想象力的創(chuàng)舉，對物理學(xué)發(fā)展具有開創(chuàng)意義。在過去人們認為物理實在是質(zhì)點，牛頓研究的是質(zhì)點的力學(xué)運動規(guī)律。而在電磁學(xué)的研究中，物理實在是有連續(xù)的“場”來代表。法拉第和麥克斯韋研究的是“場”的運動變化規(guī)律，這是一場偉大的變革。

“想象力比知識更重要，因為知識是有限的，而想象力概括著世界上的一切，推動著進步，并且是知識進化的源泉。”——愛因斯坦4.電場線電場線不同于磁感應(yīng)線，電場線不閉合。類似地，可用電場線在空間的密集程度來描述電場強弱。某點處的電場方向是沿電場線的切線方向，且規(guī)定為正電荷在該點的受力方向，所以電場線總是由正電荷指向負電荷。幾種電荷分布的電場線圖

三、帶電粒子在電場和磁場中所受的力和場強的定義

1．電荷所受的電場力利用庫侖定律，可得點電荷周圍的P點處的電場強度

2．運動電荷在磁場中受的力式中B為磁感應(yīng)強度，由上式可定義磁感應(yīng)強度在國際單位制中，B的單位是特斯拉（Tesla），用符號T表示1T=1

實際應(yīng)用：（1）質(zhì)譜儀

（2）回旋加速器在原子核物理和高能物理實驗中，用來加速帶電粒子回旋加速器原理圖

回旋加速器外觀圖

（3）洛倫茲力帶電粒子在電磁場中受到的電磁力稱為洛倫茲公式洛倫茲力實際應(yīng)用：J.J.湯姆孫發(fā)現(xiàn)電子的實驗中，測量帶電粒子的速度以及帶電粒子的比荷（荷質(zhì)比），就是利用了洛倫茲公式。湯姆孫實驗

調(diào)節(jié)電場和磁場的大小，可使帶電粒子不發(fā)生偏轉(zhuǎn)，即洛倫茲力為零，因此⊥時，有

測出后，再去掉電場，則帶電粒子將在磁場作用下偏轉(zhuǎn)，半徑為r，由此可得比荷為

四、磁通量

為了定量描述通過導(dǎo)線回路所圍面積的磁場的變化，引入磁通量的單位是韋伯（Wb）引入磁通量后，導(dǎo)線回路中感應(yīng)電流的產(chǎn)生條件歸結(jié)為：通過導(dǎo)線回路的磁通量必須發(fā)生變化。磁通量

1Wb=1T·m2五、楞次定律

1.楞次定律是判斷感應(yīng)電流方向的法則：閉合回路中產(chǎn)生的感應(yīng)電流方向，總是使由此感應(yīng)電流所產(chǎn)生的磁場阻礙引起感應(yīng)電流的磁通量的變化。2.楞次定律是能量守恒定律在電磁感應(yīng)現(xiàn)象中的具體表現(xiàn)：插入和抽出磁鐵時所做的功轉(zhuǎn)變?yōu)榛芈分械碾娔堋?/p>

六、法拉第電磁感應(yīng)定律

1.電磁感應(yīng)定律

引入感應(yīng)電動勢比感應(yīng)電流更能反映電磁感應(yīng)現(xiàn)象的本質(zhì)，當回路線圈的圈數(shù)為N時，電磁感應(yīng)定律為：負號意味著總是與磁通量變化的符號相反，說明的方向總是阻止磁通量變化，是楞次定律要求。2.

洛倫茲公式和電磁感應(yīng)定律兩者是自洽的這種自洽體現(xiàn)在整個過程滿足能量守恒。對圖3-3-5實驗做具體計算，可證明回路中電能是由外力所做的功轉(zhuǎn)化而來的。3.電磁感應(yīng)現(xiàn)象應(yīng)用舉例（1）麥克風（2）發(fā)電機原理法拉第七、做一個“平凡的法拉第”介紹法拉第小故事§3-4麥克斯韋電磁場理論的建立與電磁波的發(fā)現(xiàn)

一、一場偉大的變革

“一個民族要想站在科學(xué)的高峰，就一刻也不能沒有理論思維?！薄鞲袼?/p>

恩格斯

在1999年，英國廣播公司（BBC）所評選出的1000年來最偉大的10位思想家中麥克斯韋與馬克思、愛因斯坦、牛頓等人一起榜上有名，他排名第九。后由英國雜志《物理世界》在100位著名物理學(xué)家中選出的10位最偉大者中，麥克斯韋緊跟愛因斯坦和牛頓排名第三。

麥克斯韋法拉第無疑是一位偉大的實驗家，有豐富的想象力，但他一系列觀點還缺乏嚴格的數(shù)學(xué)形式，在理論上不夠嚴密。加上當時在學(xué)術(shù)界中，“超距作用”的傳統(tǒng)觀念還很深，所以當時學(xué)術(shù)界對法拉第學(xué)說表示出冷漠、甚至非議?？墒悄贻p的麥克斯韋卻有與眾不同的眼光，他體會到了“場”的引入的革命性意義。他被法拉第的成果所吸引。在1856年以后，他致力于用數(shù)學(xué)語言翻譯和表述電磁場的運動規(guī)律。

“法拉第和麥克斯韋在電磁場方面的工作引起一場最偉大的革命”——愛因斯坦

二、麥克斯韋方程組的建立

麥克斯韋通過對前人的發(fā)現(xiàn)和成果加以總結(jié)和升華以及結(jié)合位移電流概念的引入，創(chuàng)造性地提出了變化電場可在周圍激發(fā)磁場的假設(shè)，把物理與數(shù)學(xué)緊密結(jié)合,利用類比方法建立了描寫電磁場運動規(guī)律的麥克斯韋方程組。

麥克斯韋的科學(xué)思想和方法:1.庫侖定律等靜電場方程可推廣到變化的電場。2.用場的概念，電磁感應(yīng)可表示為：磁場隨時間變化，必定在其周圍產(chǎn)生電場。3.恒定磁場磁感線無頭無尾，通過封閉曲面磁通量為零可推廣到變化的磁場。

4.引入位移電流概念，類比上述第二點（也可說是從對稱性考慮）提出變化電場必定在其周圍產(chǎn)生磁場的假設(shè)。這一假設(shè)的提出對后來從麥克斯韋方程組獲得速度為光速的電磁波起了關(guān)鍵性作用。通過上述考慮，獲得了麥克斯韋方程組(對學(xué)生不要求,只是給學(xué)生看一下)：從麥克斯韋方程組可見麥克斯韋的電磁理論具有以下幾個特點：（1）首次綜合和發(fā)展了前人工作,給出了一個描寫〝電磁場〞運動的完美的統(tǒng)一方程。（2）充分反映了電場與磁場以及時間空間的對稱性。（3）數(shù)學(xué)形式簡單優(yōu)美,充分體現(xiàn)了物理學(xué)的〝美〞以及數(shù)學(xué)的重要性

——不僅是一個表述工具,更重要的是科學(xué)家正是利用數(shù)學(xué)方法從龐雜的經(jīng)驗事實中找出自然界普遍的高于感性經(jīng)驗的客觀規(guī)律來,這一點在伽利略的斜面實驗中巳早有體現(xiàn)。三、預(yù)言電磁波，實現(xiàn)第三次大綜合1.預(yù)言電磁波

由麥克斯韋方程組出發(fā)，根據(jù)交變的電場（或磁場）可在周圍產(chǎn)生交變磁場（或電場），這種交變電磁場可不斷由振源向遠處傳播開來，電磁振蕩在空間的傳播就形成了電磁波。

麥克斯韋還推導(dǎo)出了電磁波在真空中的傳播速度為并由此推斷光就是電磁波。電磁波譜

2.電磁波譜大致可劃分為：⑴

無線電波一般由天線上的電磁振蕩發(fā)射出去，它是電磁波譜中波長最長的一個波段。由于電磁波的輻射強度隨頻率的減小而急劇下降，因此波長為幾百公里的低頻電磁波通常不為人們注意。通常使用的包括長波、中波、短波、超短波和微波,波長范圍長到10公里小到1mm。⑵

紅外線波長范圍大約在0.6mm～760nm之間的電磁波稱為紅外線，它的波長比紅光更長，人眼看不見。它能透過濃霧或較厚大氣層而不易被吸收。紅外線雖然看不見，但可以通過特制的透鏡成像。根據(jù)這些性質(zhì)可制成紅外夜視儀，在夜間觀察物體。

⑶

可見光可見光在整個電磁波譜中所占的波段最窄，其波長范圍在760nm～400nm之間。這些電磁波能使人眼產(chǎn)生光的感覺，所以稱為光波?？梢姽獾牟煌l率決定了人眼感覺到的不同顏色，白光則是由各種顏色的可見光——紅、橙、黃、綠、青、藍、紫，按一定光強比例混合而成，稱為復(fù)色光。⑷

紫外線波長范圍在400nm～5nm之間的電磁波稱為紫外線