第三節(jié)經(jīng)典物理學(xué)的全面發(fā)展

第三節(jié)經(jīng)典物理學(xué)的全面發(fā)展第1頁(yè)，課件共59頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月本節(jié)教學(xué)目的和要求1.了解近代資本主義大工業(yè)的建立對(duì)近代物理學(xué)的推動(dòng)作用；2.把握近代以來(lái)關(guān)于光的本質(zhì)的認(rèn)識(shí)的發(fā)展線(xiàn)索，弄清光的微粒說(shuō)與光的波動(dòng)說(shuō)之爭(zhēng)的來(lái)龍去脈；3.理解熱力學(xué)第一定律、第二定律的涵義，重點(diǎn)掌握熱力學(xué)第二定律的自然觀(guān)意義；4.認(rèn)識(shí)電磁學(xué)的建立在物理學(xué)史和技術(shù)史上的重要地位和作用。第2頁(yè)，課件共59頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月光學(xué)的進(jìn)展1.幾何光學(xué)：1621年荷蘭斯涅爾發(fā)現(xiàn)光的折射定律2.波動(dòng)光學(xué)的興起：牛頓的光的顏色的理論3.光的本質(zhì)的探討：光究意是什么，是某種物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)形式—波動(dòng)？還是某種實(shí)物微粒？胡克、惠更斯等人主張波動(dòng)說(shuō)，牛頓則更傾向于微粒說(shuō)。微粒說(shuō)在18世紀(jì)占據(jù)統(tǒng)治地位。4.波動(dòng)說(shuō)的勝利：19世紀(jì)初英國(guó)托馬斯·楊的雙縫實(shí)驗(yàn)與微粒說(shuō)相矛盾，楊用光的波動(dòng)說(shuō)解釋了“干涉現(xiàn)象”和“衍射現(xiàn)象”。法國(guó)的菲涅爾以數(shù)學(xué)形式證明了波動(dòng)說(shuō)。第3頁(yè)，課件共59頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月菲涅爾托馬斯·楊菲涅爾的波帶法衍射現(xiàn)象折射定律干涉現(xiàn)象第4頁(yè)，課件共59頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月波動(dòng)說(shuō)與微粒說(shuō)的交鋒惠更斯與光的波動(dòng)說(shuō)波動(dòng)說(shuō)第5頁(yè)，課件共59頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二、熱學(xué)的成就

2.1熱的本質(zhì)在十八世紀(jì)，隨著人們對(duì)燃燒現(xiàn)象認(rèn)識(shí)的深入，對(duì)熱現(xiàn)象也開(kāi)始試圖給予解釋。當(dāng)時(shí)對(duì)熱的本性存在兩種見(jiàn)解：一種認(rèn)為熱是一種物質(zhì)；另一種認(rèn)為熱是物質(zhì)分子的微小運(yùn)動(dòng)。拉瓦錫在1789年的《初等化學(xué)概論》中把熱物質(zhì)當(dāng)做一種元素引入，稱(chēng)之為熱素或熱質(zhì)（calorique）。第6頁(yè)，課件共59頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月熱質(zhì)說(shuō)拉瓦錫認(rèn)為：存在著一種極易流動(dòng)的物質(zhì)實(shí)體充滿(mǎn)分子之間的空間，這種實(shí)體具有擴(kuò)大分子之間距離的作用。這種物質(zhì)實(shí)體－－熱質(zhì)，根據(jù)其狀態(tài)分為兩類(lèi)：自由的熱質(zhì)和結(jié)合的熱質(zhì)。結(jié)合的熱質(zhì)被物體中的分子所束縛，形成其實(shí)質(zhì)的一部分；自由熱質(zhì)沒(méi)有處于任何結(jié)合狀態(tài)，能夠從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到另一個(gè)物體，成為各種熱現(xiàn)象的載體。第7頁(yè)，課件共59頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月熱機(jī)：從技術(shù)到理論蒸汽機(jī)的廣泛使用促進(jìn)了工業(yè)革命、縮短了旅行時(shí)間、加快了商品流通。但是蒸汽機(jī)的改進(jìn)只是靠技術(shù)上的摸索取得，到十九世紀(jì)初還沒(méi)有一個(gè)關(guān)于蒸汽機(jī)的一般理論。這一局面因卡諾于1824年出版《關(guān)于火的動(dòng)力及其適于產(chǎn)生這種動(dòng)力的發(fā)動(dòng)機(jī)之考察》一書(shū)而改變。第8頁(yè)，課件共59頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月SadiNicolasLéonardCarnot卡諾(1796-1832)出身于法國(guó)望族。1814年卡諾畢業(yè)于法國(guó)綜合工科學(xué)校后到工兵部隊(duì)服役，1820年退役后專(zhuān)心從事物理學(xué)理論研究。他的父親是拿破侖一世政府要人；弟弟是一位持自由觀(guān)點(diǎn)的政治家；一位侄子是法蘭西第三共和國(guó)總統(tǒng)。第9頁(yè)，課件共59頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月熱機(jī)的效率瓦特致力于提高蒸汽機(jī)的效率。但是經(jīng)過(guò)改進(jìn)的蒸汽機(jī)效率仍然很低。燃料所產(chǎn)生的熱能的93%-95%都被浪費(fèi)掉?？ㄖZ對(duì)熱機(jī)的做功效率也非常感興趣。他想了解這種效率究竟可以提高到多少?？ㄖZ從他的應(yīng)用力學(xué)家父親那里學(xué)會(huì)了對(duì)一個(gè)循環(huán)過(guò)程進(jìn)行考察的必要性。他把熱機(jī)對(duì)外做功和做完功返回原狀的過(guò)程結(jié)合起來(lái)考慮。第10頁(yè)，課件共59頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月熱質(zhì)守恒卡諾在《關(guān)于火的動(dòng)力》一書(shū)中是立足于熱質(zhì)說(shuō)來(lái)考察熱機(jī)效率的。他的工作基礎(chǔ)就是熱質(zhì)守恒?？ㄖZ認(rèn)為，熱從高溫物體向低溫物體移動(dòng)時(shí)，必然能夠產(chǎn)生動(dòng)力。因此不伴隨動(dòng)力產(chǎn)生的熱流動(dòng)是一種損失。溫度不同的物體接觸時(shí)就會(huì)產(chǎn)生這種損失。想要獲得熱機(jī)的最高效率，就要盡量避免這種損失。第11頁(yè)，課件共59頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月卡諾循環(huán)：理想熱機(jī)卡諾進(jìn)一步設(shè)想了沒(méi)有任何損失的理想熱機(jī)。他考察了由帶活塞的汽缸中氣體所產(chǎn)生的等溫膨脹（系統(tǒng)從環(huán)境中吸收熱量）、絕熱膨脹（系統(tǒng)對(duì)環(huán)境中作功）、等溫壓縮（系統(tǒng)向環(huán)境中放出熱量）、絕熱壓縮（系統(tǒng)恢復(fù)原來(lái)狀態(tài)，對(duì)環(huán)境作負(fù)功）四個(gè)過(guò)程組成的循環(huán)，后來(lái)命名為卡諾循環(huán)。第12頁(yè)，課件共59頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月熱力學(xué)的奠基人卡諾最先定量地研究了熱和功相互轉(zhuǎn)化的方式，因此他被稱(chēng)作熱力學(xué)的奠基人。他的方程表明最大效率只與最高溫度和最低溫度有關(guān)，與中間過(guò)程、工作介質(zhì)無(wú)關(guān)。卡諾如果能繼續(xù)研究下去，很可能由此得出熱力學(xué)第二定律（熵增加定理）。而且卡諾后來(lái)還放棄了熱質(zhì)說(shuō)，轉(zhuǎn)而認(rèn)為熱是一種運(yùn)動(dòng)。但是不幸的是他在36歲就死于霍亂。第13頁(yè)，課件共59頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月熱動(dòng)說(shuō)倫福德(1753-1814)糾正了熱是一種無(wú)質(zhì)流體的說(shuō)法。倫福德出身于美國(guó)，后到歐洲慕尼黑管理一個(gè)兵工廠(chǎng)，他發(fā)現(xiàn)當(dāng)鉆削制造炮筒的青銅坯料時(shí)，金屬坯料燙得象火一樣。當(dāng)時(shí)傳統(tǒng)的解釋是，當(dāng)金屬被切削成刨花時(shí)，熱質(zhì)就從金屬中逸出。但是倫福德注意到，只要鏜鉆不停止，金屬就不停地發(fā)熱。第14頁(yè)，課件共59頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月熱質(zhì)倫福德在慕尼黑管理一個(gè)兵工廠(chǎng)，他發(fā)現(xiàn)當(dāng)鉆削制造炮筒的青銅坯料時(shí)，金屬坯料燙得象火一樣。當(dāng)時(shí)傳統(tǒng)的解釋是，當(dāng)金屬被切削成刨花時(shí)，熱質(zhì)就從金屬中逸出。但是倫福德注意到，只要鏜鉆不停止，金屬就不停地發(fā)熱。第15頁(yè)，課件共59頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月機(jī)械運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為熱倫福德得出結(jié)論，是鏜具的機(jī)械運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為熱。1798年倫福德向皇家學(xué)會(huì)報(bào)告了他在慕尼黑的實(shí)驗(yàn)。他還試圖給出一定量的機(jī)械運(yùn)動(dòng)所能產(chǎn)生的熱量，這是首次給出了熱功當(dāng)量的數(shù)值。不過(guò)他的數(shù)值偏高。1799年倫福德回到英國(guó)，當(dāng)選為皇家學(xué)會(huì)會(huì)員。1804年到巴黎定居，娶了拉瓦錫的遺孀并就熱質(zhì)說(shuō)與已故的拉瓦錫作對(duì)。第16頁(yè)，課件共59頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月熱運(yùn)動(dòng)說(shuō)的處境倫福德的報(bào)告引起巨大反響，對(duì)熱運(yùn)動(dòng)說(shuō)有人支持也有人反對(duì)。熱質(zhì)說(shuō)的統(tǒng)治地位一時(shí)還難以動(dòng)搖。當(dāng)時(shí)以熱質(zhì)守恒這一基本原理為基礎(chǔ)，熱學(xué)正穩(wěn)步地積累著實(shí)驗(yàn)資料，并不斷帶來(lái)新的理論。相反，熱運(yùn)動(dòng)論缺乏定量的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，沒(méi)有提出數(shù)學(xué)化的理論。必須等到能量守恒定律的確立，才能從更為廣闊的觀(guān)點(diǎn)來(lái)理解熱和運(yùn)動(dòng)的相互轉(zhuǎn)化。第17頁(yè)，課件共59頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.2能量守恒定律的發(fā)現(xiàn)能量守恒定律提出的背景(1)由于十八世紀(jì)以來(lái)物理學(xué)前沿的擴(kuò)大，形形色色的物理現(xiàn)象之間的轉(zhuǎn)化過(guò)程被陸續(xù)發(fā)現(xiàn)，引起人們注意。(2)十八世紀(jì)下半葉在德國(guó)產(chǎn)生一種對(duì)機(jī)械論自然觀(guān)的不滿(mǎn)，萌發(fā)一種活力論。這種活力論在十九世紀(jì)初發(fā)展成為自然哲學(xué)：把整個(gè)宇宙看做是由某種根源性的力所引起的歷史發(fā)展的產(chǎn)物。自然界的各種力，電、磁、光、熱、化學(xué)親和力等等東西歸根結(jié)底是同一種東西。第18頁(yè)，課件共59頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.2能量守恒定律的發(fā)現(xiàn)德國(guó)人邁爾（1814-1878）作為隨船醫(yī)生在1840年去爪哇的航行中，由于考慮動(dòng)物熱的問(wèn)題，邁爾對(duì)物理學(xué)產(chǎn)生興趣，多次著文闡述能量守恒的信念。1841年他完成《關(guān)于無(wú)機(jī)界各種力的意見(jiàn)》一文，被一家物理學(xué)雜志退稿后，第二年發(fā)表在了李比希主編的《化學(xué)和藥學(xué)年鑒》上。但是他的工作幾乎沒(méi)有引起人們注意。第19頁(yè)，課件共59頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.2能量守恒定律的發(fā)現(xiàn)英國(guó)的焦耳擅長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)。他對(duì)所有他想得到的有熱量產(chǎn)生過(guò)程進(jìn)行熱測(cè)量。

1840年他得出：電流產(chǎn)生的熱量與電流強(qiáng)度的平方和電阻的乘積成正比－－焦耳最后測(cè)量出做的功和產(chǎn)生的熱的關(guān)系為：41,450,000爾格的功產(chǎn)生1卡的熱量。為了紀(jì)念焦耳的工作，后來(lái)規(guī)定一千萬(wàn)爾格的功定義為一焦耳?，F(xiàn)在的熱功當(dāng)量數(shù)值為4.18焦耳/卡。第20頁(yè)，課件共59頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月成果無(wú)處發(fā)表當(dāng)時(shí)人們沒(méi)有認(rèn)識(shí)到焦耳工作的意義。各種學(xué)術(shù)刊物和皇家學(xué)會(huì)都拒絕發(fā)表他的文章。1847年焦耳獲得在英國(guó)科學(xué)促進(jìn)會(huì)年會(huì)上宣讀他的論文的機(jī)會(huì)，當(dāng)時(shí)幾乎沒(méi)有聽(tīng)眾，只有一位23歲的年青人威廉·湯姆森，即后來(lái)的開(kāi)爾文勛爵對(duì)他的報(bào)告感興趣。湯姆森對(duì)焦耳的成果作了十分精辟的評(píng)價(jià)，終于引起人們的注意。1849年在法拉第親自主持下，焦耳在皇家學(xué)會(huì)宣讀了他的論文，他的成果終于獲得完全承認(rèn)。焦耳的工作為熱力學(xué)第一、第二定律的得出奠定了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。第21頁(yè)，課件共59頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月能量守恒定律的發(fā)現(xiàn)對(duì)能量守恒，邁爾展開(kāi)了大膽思辨，焦耳進(jìn)行了扎實(shí)的實(shí)驗(yàn)，而德國(guó)生理學(xué)家和物理學(xué)家赫姆霍茲（1821-1894）則立足于力學(xué)基礎(chǔ)之上，追求各種能量轉(zhuǎn)換過(guò)程的數(shù)學(xué)表述。最終被確認(rèn)為能量守恒定律的確立者。第22頁(yè)，課件共59頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月《論“力”的守恒》1847年赫姆霍茲獨(dú)立完成《論“力”的守恒》一文，并于7月23日在柏林物理學(xué)會(huì)的年會(huì)上宣讀1854年赫姆霍茲在《自然力的相互作用》一文中指出，“自然作為一個(gè)整體，是力的儲(chǔ)存庫(kù)，它不能以任何方法增加或減少。所以自然界中力的數(shù)量正象物質(zhì)的數(shù)量一樣永存和不變。我曾將這個(gè)普遍的定律命名為‘力的守恒原理’”。這里明確表達(dá)了能量轉(zhuǎn)化和守恒的思想。以1850-1851年間克勞修斯和湯姆森奠定熱力學(xué)基礎(chǔ)的工作為轉(zhuǎn)機(jī)，能量守恒定律才獲得普遍承認(rèn)。

第23頁(yè)，課件共59頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月意義能量守恒與轉(zhuǎn)化定律被認(rèn)為是物理學(xué)的“最高定律”（法拉第），“宇宙的普遍的基本定律”（克勞修斯），恩格斯則稱(chēng)之為19世紀(jì)三大發(fā)現(xiàn)之一。該定律的發(fā)現(xiàn)標(biāo)志著近代物理學(xué)第二次理論大綜合。第24頁(yè)，課件共59頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.3熱力學(xué)第一、第二定律的建立

熱力學(xué)第一定律的建立熱功當(dāng)量的發(fā)現(xiàn)揭示了熱和機(jī)械功之間存在著內(nèi)在的定量關(guān)系。焦耳的實(shí)驗(yàn)一方面證明了熱和機(jī)械功的作用效果是等價(jià)的，另一方面也證明了絕熱過(guò)程的功與過(guò)程進(jìn)行的方式無(wú)關(guān)。在焦耳工作的基礎(chǔ)上，克勞修斯和開(kāi)爾文各自深入研究了熱功轉(zhuǎn)化的機(jī)制和規(guī)律性問(wèn)題，分別獲得了熱力學(xué)第一定律的各自表述。

第25頁(yè)，課件共59頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第一定律的克勞修斯表述

1850年4月克勞修斯在《物理和化學(xué)年鑒》上發(fā)表了《論熱的動(dòng)力和可由此推導(dǎo)熱學(xué)本身的定律》提出熱力學(xué)第一定律表述：“在一切熱做功的情況中，產(chǎn)生的功與消耗的熱量成比例。反之，通過(guò)消耗同樣大小的功，將能產(chǎn)生同樣數(shù)量的熱量?！?/p>

第26頁(yè)，課件共59頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第一定律的開(kāi)爾文表述

1851年開(kāi)爾文發(fā)表《以焦耳先生的單位熱當(dāng)量導(dǎo)出的大量結(jié)果和雷諾對(duì)蒸氣的觀(guān)察論熱的動(dòng)力學(xué)理論》一文，提出了熱力學(xué)第一定律的開(kāi)爾文說(shuō)法：“物質(zhì)系必須以熱的形式或以機(jī)械功的形式，給出同它得到的同樣多的能量”。這里開(kāi)爾文首次把能量一詞引入到了熱力學(xué)中，該表述也被稱(chēng)為熱力學(xué)第一定律的能量表述。第27頁(yè)，課件共59頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月熱力學(xué)第二定律的建立

熱力學(xué)第一定律是關(guān)于孤立熱力學(xué)系統(tǒng)從熱源是否吸收熱量和內(nèi)能與外功之間轉(zhuǎn)化守恒關(guān)系的規(guī)律，它并不涉及不同溫度的兩個(gè)熱源之間的熱量傳遞。然而卡諾熱機(jī)理論表明，為了從熱產(chǎn)生動(dòng)力，需要有高溫物體和低溫物體。熱機(jī)的實(shí)踐也證明，熱機(jī)存在著普遍的熱耗散現(xiàn)象，總有一些熱譬如磨擦熱不能復(fù)返做功。事實(shí)上卡諾的理想熱機(jī)循環(huán)在實(shí)際中是不能實(shí)現(xiàn)的。對(duì)此，需要有一個(gè)新的普遍規(guī)律對(duì)這種普遍現(xiàn)象加以說(shuō)明。第28頁(yè)，課件共59頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第二定律的克氏表述在1854年《物理和化學(xué)年鑒》上發(fā)表的《論機(jī)械熱理論第二基本定律的一個(gè)改變形式》一文中，克勞修斯給出了通常所說(shuō)的熱力學(xué)第二定律的“克氏表述”：“熱不可能由冷體傳到熱體，如果不因而同時(shí)引起其他關(guān)系的變化?！?/p>

第29頁(yè)，課件共59頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月熵1865年4月克勞修斯在《關(guān)于熱的動(dòng)力理論的主要方程的各種應(yīng)用的方便形式》中提出了一個(gè)與變化途徑無(wú)關(guān)的狀態(tài)函數(shù)S。定義dS=dQ/T，S表示物體的熱轉(zhuǎn)變含量，并用了一個(gè)與能量的德文字（Energie）相近的從希臘文轉(zhuǎn)寫(xiě)過(guò)來(lái)的詞Entropie來(lái)命名S。1923年普朗克到南京東南大學(xué)作熱力學(xué)第二定律方面的講學(xué)，胡復(fù)剛為之翻譯，首次把Entropie譯作熵。第30頁(yè)，課件共59頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月“克氏表述”的精練形式在1865年的論文中，克勞修斯把熱力學(xué)第二定律表述為：對(duì)于可逆過(guò)程而言，熵等于0；對(duì)于不可逆過(guò)程而言，熵總是大于0。1875年在《熱的動(dòng)力理論》中又提出了熱力學(xué)第二定律“克氏表述”的更為精煉的形式：“熱不可能自發(fā)地從一冷體傳到一熱體”。

第31頁(yè)，課件共59頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月“宇宙熱寂說(shuō)”

1867年在法蘭克福舉行的第41屆德國(guó)自然科學(xué)家和醫(yī)生聯(lián)合會(huì)議上，克勞修斯他把整個(gè)宇宙看做一個(gè)孤立的絕熱系統(tǒng)，然后把熱力學(xué)第一定律和第二定律應(yīng)用于整個(gè)宇宙，得出：

(1)宇宙的總能量是一個(gè)常數(shù)；

(2)宇宙的熵趨向某一個(gè)極大值。這就是后來(lái)引起很多爭(zhēng)議的“宇宙熱寂說(shuō)”的正式提出。第32頁(yè)，課件共59頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第二類(lèi)永動(dòng)機(jī)不存在在1856年的《論動(dòng)力的起源和轉(zhuǎn)變》中，開(kāi)爾文把熱力學(xué)第二定律和制造一種自動(dòng)機(jī)聯(lián)系起來(lái)，提出：不借助外部動(dòng)因?qū)釓囊晃矬w傳遞到另一高溫物體來(lái)制成一個(gè)自動(dòng)機(jī)，是不可能的。這種自動(dòng)機(jī)也稱(chēng)為永動(dòng)機(jī)，后來(lái)人們把違反熱力學(xué)第一定律的永動(dòng)機(jī)稱(chēng)作第一類(lèi)永動(dòng)機(jī)，違反熱力學(xué)第二定律的永動(dòng)機(jī)稱(chēng)作第二類(lèi)永動(dòng)機(jī)。熱力學(xué)第二定律也等價(jià)地被表述為：第二類(lèi)永動(dòng)機(jī)是不存在的。

第33頁(yè)，課件共59頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月熱力學(xué)第三定律熱力學(xué)第三定律的建立與低溫現(xiàn)象的研究直接相關(guān)，1848年湯姆遜提出絕對(duì)零度可能是溫度下限的觀(guān)點(diǎn)，1906年德國(guó)人斯特提出任何物體都不可能冷卻到絕對(duì)零度。第34頁(yè)，課件共59頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月電磁學(xué)的建立3.1從靜電到動(dòng)電的研究：

18世紀(jì)靜電學(xué)研究最重要的成就是美國(guó)富蘭克林提出的關(guān)于單電流體的一元論，并用著名風(fēng)箏實(shí)驗(yàn)加以證明；

18世紀(jì)末電學(xué)從靜電研究向流電研究發(fā)展，意大利伽伐尼發(fā)現(xiàn)動(dòng)物電流、伏打在電堆實(shí)驗(yàn)和發(fā)現(xiàn)原電池的基礎(chǔ)上提出了接觸理論。第35頁(yè)，課件共59頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.2奧斯特的發(fā)現(xiàn)

1819年丹麥物理學(xué)家?jiàn)W斯特（Oersted,Hans，1777-1851)在一次課堂實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)：讓一個(gè)羅盤(pán)靠近通電導(dǎo)線(xiàn)，羅盤(pán)指針發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，指向與電流方向成直角的方向。這次實(shí)驗(yàn)是電與磁之間的聯(lián)系的第一次實(shí)驗(yàn)演示。1820年奧斯特發(fā)表這個(gè)實(shí)驗(yàn)之后，引起了爆炸性的反響。第36頁(yè)，課件共59頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.3法拉第的電磁學(xué)研究法拉第（MichaelFaraday1791-1867）是一名鐵匠的兒子。早年做裝訂工學(xué)徒（1805年），使他有機(jī)會(huì)接觸許多書(shū)，常翻大英百科全書(shū)中的電學(xué)文章和拉瓦錫的化學(xué)教程等。第37頁(yè)，課件共59頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月戴維的助手、實(shí)驗(yàn)天才1813年22歲的法拉第成為戴維的助手，任務(wù)是刷洗瓶子。實(shí)驗(yàn)室里的法拉第漸漸表現(xiàn)出他的天分，甚至遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了值得戴維提攜的程度。比如法拉第能熟練制備三氯化氮?dú)怏w，而戴維則不那么熟練，一次還讓它爆炸了，幾乎因此而失明。第38頁(yè)，課件共59頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月讓磁力產(chǎn)生電流？法拉第在1821年就設(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置，把電力和磁力間的作用轉(zhuǎn)化成了連續(xù)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)。但這個(gè)裝置充其量只不過(guò)是一個(gè)科學(xué)玩具。奧斯特讓電流產(chǎn)生了磁力，法拉第所想的是怎樣倒過(guò)來(lái)讓磁力產(chǎn)生電流。第39頁(yè)，課件共59頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月讀不到電流實(shí)驗(yàn)經(jīng)過(guò)了許多曲折和戲劇性的過(guò)程。他用安培(Ampère,André1775-1836)發(fā)明的線(xiàn)圈來(lái)產(chǎn)生磁場(chǎng)，希望這個(gè)磁場(chǎng)能對(duì)第二個(gè)線(xiàn)圈產(chǎn)生影響。第一個(gè)線(xiàn)圈固然產(chǎn)生了穩(wěn)定的磁場(chǎng)，但是在第二個(gè)線(xiàn)圈中讀不到電流。第40頁(yè)，課件共59頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月沒(méi)有輕易放過(guò)的現(xiàn)象在多次無(wú)效的嘗試之后，一次在關(guān)閉第一線(xiàn)圈的電流的一剎那，第二線(xiàn)圈的電流計(jì)指針顫動(dòng)了一下。據(jù)說(shuō)十年前安培就發(fā)現(xiàn)過(guò)這個(gè)現(xiàn)象，但是這個(gè)現(xiàn)象不合于他的理論，就對(duì)之未加考慮。但法拉第沒(méi)有輕易放過(guò)這一現(xiàn)象。第41頁(yè)，課件共59頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月電磁感應(yīng)經(jīng)過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)，法拉第發(fā)現(xiàn)只有在打開(kāi)和關(guān)閉第一線(xiàn)圈的電流時(shí)，第二線(xiàn)圈內(nèi)才產(chǎn)生一股瞬時(shí)的電流。這就是感應(yīng)電流的發(fā)現(xiàn)。這種現(xiàn)象被稱(chēng)作電磁感應(yīng)，是后來(lái)一切電動(dòng)能源的基礎(chǔ)。第42頁(yè)，課件共59頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月磁力線(xiàn)法拉第直觀(guān)地用磁力線(xiàn)來(lái)描述磁體周?chē)拇艌?chǎng)，并用鐵屑來(lái)演示磁力線(xiàn)的排列。他認(rèn)為這種力線(xiàn)是很實(shí)在的東西，比原子更為實(shí)在。感應(yīng)電流只有當(dāng)磁力線(xiàn)切割導(dǎo)線(xiàn)時(shí)才產(chǎn)生。第43頁(yè)，課件共59頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月磁感應(yīng)發(fā)電機(jī)一旦證明磁能產(chǎn)生電，法拉第接下來(lái)的工作是要用磁場(chǎng)來(lái)產(chǎn)生連續(xù)的電流。不久他就造出了世界上第一臺(tái)磁感應(yīng)發(fā)電機(jī)。要生產(chǎn)出完全實(shí)用的發(fā)電機(jī)還需要許多輔助設(shè)備。而發(fā)明這些輔助設(shè)備花了人類(lèi)半個(gè)多世紀(jì)。最終的發(fā)電機(jī)與法拉第的最初模型看起來(lái)毫不相同，但基本工作原理是一樣的。第44頁(yè)，課件共59頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.4麥克斯韋的數(shù)學(xué)升華法拉第借助于巧妙的實(shí)驗(yàn)和直觀(guān)的圖像，成功地用力線(xiàn)模型解釋了電磁現(xiàn)象。但是由于他是自學(xué)成才，不熟悉數(shù)學(xué)，因此不可能給他的理論給以數(shù)學(xué)表示。是數(shù)學(xué)天才麥克斯韋完成了這項(xiàng)工作，并且補(bǔ)充了更多的內(nèi)容，從而奠定了電磁場(chǎng)理論的基礎(chǔ)。第45頁(yè)，課件共59頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月麥克斯韋麥克斯韋（JamesClerkMaxwell1831-1879）出生于蘇格蘭望族，是家中的獨(dú)子。他從小就有數(shù)學(xué)方面的天分，但是被同學(xué)們稱(chēng)為傻瓜。十五歲時(shí)他把如何繪制卵形線(xiàn)的方法寫(xiě)成論文送到皇家學(xué)會(huì)宣讀。1850年進(jìn)劍橋大學(xué)。第46頁(yè)，課件共59頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月《論法拉第的力線(xiàn)》麥克斯韋接受開(kāi)爾文的忠告，通讀了法拉第的論文集《電學(xué)實(shí)驗(yàn)研究》，他認(rèn)識(shí)到關(guān)鍵在于在少數(shù)簡(jiǎn)單的觀(guān)念的基礎(chǔ)上把其中交錯(cuò)混亂的電磁學(xué)解釋明白。1856年2月他發(fā)表了電磁學(xué)的第一篇論文《論法拉第的力線(xiàn)》，文章的目標(biāo)首先放在用數(shù)學(xué)表示法拉第的見(jiàn)解上。第47頁(yè)，課件共59頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月《論物理的力線(xiàn)》

1862年麥克斯韋發(fā)表了電磁學(xué)的第二篇論文《論物理的力線(xiàn)》。這篇文章超越了法拉第，取得了新的成果，從而鞏固了電磁理論的基礎(chǔ)。在該文中麥克斯韋論述了傳遞電作用的媒質(zhì)具有什么樣的結(jié)構(gòu)，在媒質(zhì)中產(chǎn)生什么樣的張力和運(yùn)動(dòng)，怎樣表示觀(guān)測(cè)到的電磁現(xiàn)象等問(wèn)題。第48頁(yè)，課件共59頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月磁力管按照法拉第的思想，整個(gè)空間都充滿(mǎn)了由磁力線(xiàn)構(gòu)成的磁力管，各磁力管都具有橫向擴(kuò)展和縱向收縮的性質(zhì)。好比旋轉(zhuǎn)著的液體，由于收到離心力的作用，相對(duì)轉(zhuǎn)軸橫向擴(kuò)展，在縱向收縮。麥克斯韋設(shè)想，磁力管內(nèi)充滿(mǎn)以太，而且都在作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，整個(gè)空間就被這樣的以太漩渦充滿(mǎn)。第49頁(yè)，課件共59頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月麥克斯韋的“機(jī)械”電磁場(chǎng)模型但是這樣擠得滿(mǎn)滿(mǎn)的以太漩渦自身不能很好地同時(shí)在同一方向旋轉(zhuǎn)，因此麥克斯韋設(shè)想各漩渦之間夾有像滾珠軸承那樣的粒子。在這樣的模型中，磁場(chǎng)強(qiáng)度相當(dāng)于漩渦的角速度；電場(chǎng)強(qiáng)度相當(dāng)于漩渦發(fā)生形變時(shí)所產(chǎn)生的彈性力；電流強(qiáng)度相當(dāng)于滾珠軸承粒子的流動(dòng)。第50頁(yè)，課件共59頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月位移電流在第二篇論文中麥克斯韋引進(jìn)了位移電流的概念：即由軸承粒子的位移產(chǎn)生的電流。從位移電流概念出發(fā)能導(dǎo)出重要的結(jié)論。麥克斯韋計(jì)算了媒質(zhì)中電粒子振動(dòng)的傳播速度幾乎等于當(dāng)時(shí)測(cè)得的真空中的光速。于是麥克斯韋大膽作出結(jié)論：光和引起電磁現(xiàn)象的情形一樣，是以太的橫向振動(dòng)。第51頁(yè)，課件共59頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月《電磁場(chǎng)的動(dòng)力學(xué)理論》麥克斯韋在1864年發(fā)表了第三篇電磁學(xué)論文，對(duì)他的理論進(jìn)行了重新構(gòu)造。給出了現(xiàn)在叫做麥克斯韋方程組的電磁場(chǎng)偏微分方程組。在這篇論文里麥克斯韋首次把自己的理論稱(chēng)為電磁場(chǎng)理論。麥克斯韋的電磁場(chǎng)理論是想通過(guò)具有力學(xué)特征的媒質(zhì)狀態(tài)的變化來(lái)理解電磁作用。第52頁(yè)，課件共59頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月《電磁通論》1873年麥克斯韋發(fā)表了他的電磁理論集大成之作《電磁通論》。他在該書(shū)的第一章中寫(xiě)道：這本書(shū)的立場(chǎng)是把帶電體之間所觀(guān)測(cè)到的力學(xué)作用作為由媒質(zhì)的力