文科物理第二章第3節(jié)A

1、2.3 電磁感應定律電磁感應定律2.3.1 電磁感應定律電磁感應定律的建立的建立一、一、法拉第法拉第確立電磁感應定律確立電磁感應定律 奧斯特奧斯特的發(fā)現(xiàn)和日新月異的的發(fā)現(xiàn)和日新月異的電流磁效應電流磁效應的研究成的研究成果，極大地激勵了英國學術界。果，極大地激勵了英國學術界。18211821年，英國年，英國哲哲學年鑒學年鑒主編邀請著名主編邀請著名化學家化學家漢弗里漢弗里戴維戴維撰寫一篇文撰寫一篇文章，綜合評述奧斯特電流磁效應發(fā)現(xiàn)以來的章，綜合評述奧斯特電流磁效應發(fā)現(xiàn)以來的電磁學發(fā)電磁學發(fā)展概況展概況。戴維將這一工作交給了。戴維將這一工作交給了助手助手法拉第法拉第，法拉第，法拉第在收集材料過程中，

2、對電磁學研究產(chǎn)生了興趣和熱情。在收集材料過程中，對電磁學研究產(chǎn)生了興趣和熱情。從此，法拉第將研究工作轉向了從此，法拉第將研究工作轉向了電磁學電磁學。舉世聞名的舉世聞名的偉大化學家偉大化學家漢弗里漢弗里戴維戴維（HDavy，17781829） 學徒學徒出生的出生的科學家科學家1803年他被選為英國皇家學年他被選為英國皇家學會會員，會會員，1807年出任皇家學年出任皇家學會秘書，會秘書， 1820年被選為年被選為皇皇家學會會長家學會會長。1826年積勞成年積勞成疾而病倒，疾而病倒，1827年死于日內年死于日內瓦，終年瓦，終年51歲歲。 漢弗萊漢弗萊戴維戴維，英國化學家、發(fā)明家，英國化學家、發(fā)明家，

3、電化學電化學的開拓者之一，的開拓者之一，17781778年出生于英國彭贊斯年出生于英國彭贊斯貧貧民家庭民家庭。1717歲開始歲開始自修化學自修化學，17991799年他發(fā)現(xiàn)年他發(fā)現(xiàn)笑氣的麻醉作用后開始引起關注。笑氣的麻醉作用后開始引起關注。在化學上在化學上他的最大的貢獻他的最大的貢獻是開辟了用電解法制取金屬是開辟了用電解法制取金屬元素的新途徑：即用伏打電池來研究電的化元素的新途徑：即用伏打電池來研究電的化學效應。電解了之前不能分解的苛性堿，從學效應。電解了之前不能分解的苛性堿，從而而發(fā)現(xiàn)了發(fā)現(xiàn)了鉀鉀和和鈉鈉，后來又制得了，后來又制得了鋇、鎂、鈣、鋇、鎂、鈣、鍶鍶等堿土金屬。他被認為是發(fā)現(xiàn)元素最

4、多的等堿土金屬。他被認為是發(fā)現(xiàn)元素最多的科學家?？茖W家。18151815年發(fā)明了在礦業(yè)中檢測易燃氣年發(fā)明了在礦業(yè)中檢測易燃氣體的體的戴維燈戴維燈。18201820年當選英國皇家化學會主年當選英國皇家化學會主席。席。 偉大的科學家偉大的科學家法拉第法拉第是是戴維戴維發(fā)現(xiàn)的。發(fā)現(xiàn)的。由于戴維的幫助，由于戴維的幫助，法拉第法拉第來到了皇家科普來到了皇家科普協(xié)會實驗室，由一個協(xié)會實驗室，由一個貧窮的訂書工貧窮的訂書工變成變成戴戴維的助手維的助手。雖然。雖然戴維戴維在晚年，曾因在晚年，曾因嫉妒嫉妒法法拉第的成就拉第的成就而壓制過他，但是而壓制過他，但是不能不承認不能不承認正是正是戴維戴維對他的培養(yǎng)，為法

5、拉第以后完成對他的培養(yǎng)，為法拉第以后完成科學的勛業(yè)創(chuàng)造了必要的條件。所以科學的勛業(yè)創(chuàng)造了必要的條件。所以戴維戴維發(fā)現(xiàn)并培養(yǎng)了發(fā)現(xiàn)并培養(yǎng)了法拉第法拉第這樣一個杰出人才，這樣一個杰出人才，這本身就是對科學事業(yè)的一個重大貢獻。這本身就是對科學事業(yè)的一個重大貢獻。漢弗里漢弗里戴維戴維臨終前在醫(yī)院養(yǎng)病期間，臨終前在醫(yī)院養(yǎng)病期間，一位朋友去看他，問他一生中最偉一位朋友去看他，問他一生中最偉大的發(fā)現(xiàn)是什么，他絕口未提自己大的發(fā)現(xiàn)是什么，他絕口未提自己發(fā)現(xiàn)的發(fā)現(xiàn)的眾多化學元素眾多化學元素中的任何一個，中的任何一個，卻說：卻說：“我最大我最大的發(fā)現(xiàn)的發(fā)現(xiàn)是是一個人一個人法拉第法拉第！” Michael Fara

6、day Born: 22 September 1791 Died: 25 August 1867 Englishdtdl dEBCThe greatest of all English experimental physicists Induction experiments 1821 1821年年4 4月，英月，英國大化學家、物理學國大化學家、物理學家家沃拉斯頓沃拉斯頓設計了設計了電電磁旋轉器磁旋轉器，幾次實驗，幾次實驗都遭到了失敗。沃拉都遭到了失敗。沃拉斯頓的斯頓的想法給了想法給了法拉法拉第第啟發(fā)啟發(fā)。法拉第設計。法拉第設計了一臺了一臺電磁旋轉器電磁旋轉器。 1 1、法拉第、法拉第發(fā)明發(fā)明

7、電磁旋轉器電磁旋轉器電源電源固定導體固定導體可轉動導體可轉動導體固固定定磁磁極極可可轉轉動動磁磁極極 1、法拉第法拉第發(fā)明發(fā)明電磁旋轉器電磁旋轉器電源電源固定導體固定導體可轉動導體可轉動導體固固定定磁磁極極可可轉轉動動磁磁極極接通電源后，接通電源后，左端左端的的自由磁極自由磁極和和右端右端的自由導體的自由導體同時產(chǎn)同時產(chǎn)生運動生運動，其轉動方，其轉動方向由向由電流方向電流方向決定。決定。 這真是一個了不起的成功，這真是一個了不起的成功，奧斯特奧斯特只是發(fā)現(xiàn)了只是發(fā)現(xiàn)了旋轉力旋轉力的存在，而的存在，而法拉第法拉第則則實現(xiàn)了實現(xiàn)了長久長久的的旋轉運動旋轉運動。 電磁旋轉器電磁旋轉器是是電動機電動機

8、的的實驗室雛型實驗室雛型，它對人類它對人類利用電能利用電能具有劃時代的意義具有劃時代的意義。法拉法拉第第關于關于電磁旋轉器電磁旋轉器實驗的文章，被刊登在實驗的文章，被刊登在18211821年年9 9月月3 3日英國的日英國的科學季刊科學季刊上。這次上。這次成功，充分成功，充分顯示了顯示了法拉第法拉第無與倫比的實驗技無與倫比的實驗技能和技巧能和技巧，是他的科學天才出現(xiàn)的第一次高是他的科學天才出現(xiàn)的第一次高峰峰。同時，也強有力地激發(fā)了。同時，也強有力地激發(fā)了法拉第法拉第對對電磁電磁學學的研究信心和熱情。的研究信心和熱情。 英國科學界普遍認為，英國科學界普遍認為，作用作用總應伴隨著總應伴隨著反作用反

9、作用。奧斯特的發(fā)現(xiàn)是。奧斯特的發(fā)現(xiàn)是“電生磁電生磁”，促使，促使人們想到了人們想到了“磁生電磁生電”。法拉第法拉第就是最早想就是最早想到到“磁生電磁生電”的科學家之一。的科學家之一。法拉第相信各種法拉第相信各種“自然力的統(tǒng)一自然力的統(tǒng)一”，追求這，追求這種統(tǒng)一，他確信種統(tǒng)一，他確信客觀事物本身的結構具有對客觀事物本身的結構具有對稱性稱性。這是法拉第進行科學研究的。這是法拉第進行科學研究的思想基礎思想基礎。2、法拉第、法拉第發(fā)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)電磁感應現(xiàn)象電磁感應現(xiàn)象法拉第法拉第堅信：堅信：磁磁一定能產(chǎn)生一定能產(chǎn)生電電。經(jīng)過經(jīng)過近近1010年的努力年的努力，于，于1831年發(fā)現(xiàn)了年發(fā)現(xiàn)了電磁感應現(xiàn)象電磁感應

10、現(xiàn)象。由由下述下述4 4種方法種方法，可見，可見關鍵點關鍵點是：是：產(chǎn)生感應電流的回路產(chǎn)生感應電流的回路都都是處在一個是處在一個變化的磁場變化的磁場中，一旦磁場變化停止，感應電流中，一旦磁場變化停止，感應電流就消失。這種現(xiàn)象稱為就消失。這種現(xiàn)象稱為電磁感應電磁感應。 18311831年年8 8月月2929日，日，法法拉第拉第想用一條通電導線的想用一條通電導線的磁場從另一條導線中激發(fā)磁場從另一條導線中激發(fā)出出感應電流感應電流來。實驗中，來。實驗中，為了增強磁場和感應電流，為了增強磁場和感應電流，他將兩條直導線繞在鐵環(huán)他將兩條直導線繞在鐵環(huán)上，形成兩個上，形成兩個共芯螺線管共芯螺線管。法拉第看到，

11、每當法拉第看到，每當接通接通或或斷開斷開一個線圈的電一個線圈的電源源時，另一個未接電源的線圈中激起了時，另一個未接電源的線圈中激起了瞬時瞬時電流電流，而且當通電線圈中的，而且當通電線圈中的電流穩(wěn)定電流穩(wěn)定時，另時，另一條線圈中的一條線圈中的電流就消失電流就消失了。了。 美國物理學家美國物理學家亨利亨利在電磁鐵研究中想在電磁鐵研究中想到了既然到了既然“電能生磁電能生磁”，難道，難道磁磁就不能就不能生生電電嗎？嗎？3、電磁感應定律的確立電磁感應定律的確立 1830年，年，約瑟夫約瑟夫亨利亨利在一根條在一根條形軟鐵芯上繞了一個銅線圈，形軟鐵芯上繞了一個銅線圈，用細銅絲將線圈的兩端與用細銅絲將線圈的兩

12、端與4040英英尺遠的尺遠的電流計電流計相連接然后將相連接然后將這個帶線圈的軟鐵棒放在電磁這個帶線圈的軟鐵棒放在電磁鐵的兩極間。當電磁鐵鐵的兩極間。當電磁鐵通電瞬通電瞬間間，他發(fā)現(xiàn)，他發(fā)現(xiàn)電流計指針動了一電流計指針動了一下下。實驗結果發(fā)表在。實驗結果發(fā)表在18321832年年7 7月月的的美國科學美國科學雜志上，雜志上，比法比法拉第論文拉第論文發(fā)表發(fā)表晚了晚了近一年近一年。亨利亨利比法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應現(xiàn)象比法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應現(xiàn)象早一年早一年。但是，當時世界科學的中心在歐洲，但是，當時世界科學的中心在歐洲，亨利正在集中精力制作更大的電磁鐵，亨利正在集中精力制作更大的電磁鐵，沒有及時發(fā)表沒有及時發(fā)

13、表這一實驗成果，因此，這一實驗成果，因此，發(fā)現(xiàn)電磁感應現(xiàn)象的功勞就歸屬于發(fā)現(xiàn)電磁感應現(xiàn)象的功勞就歸屬于及及時發(fā)表了成果的法拉第時發(fā)表了成果的法拉第，亨利失去了，亨利失去了發(fā)明權。發(fā)明權。 亨利的貢獻很大，只是亨利的貢獻很大，只是有的沒有立即發(fā)表，因有的沒有立即發(fā)表，因而而失去了失去了許多發(fā)明的專許多發(fā)明的專利權和發(fā)現(xiàn)的優(yōu)先權。利權和發(fā)現(xiàn)的優(yōu)先權。但人們沒有忘記這些杰但人們沒有忘記這些杰出的貢獻，為了紀念出的貢獻，為了紀念亨亨利利，用他的名字命名了，用他的名字命名了自感系數(shù)自感系數(shù)和和互感系數(shù)的互感系數(shù)的單位單位，簡稱，簡稱“亨亨”。 法拉第法拉第在在18311831年年1111月月2424日向

14、英國皇家日向英國皇家學會報告了學會報告了電學的實驗研究電學的實驗研究的結果。的結果。他將他將產(chǎn)生電磁感應的條件產(chǎn)生電磁感應的條件概括為：概括為：變化的電流；變化的磁場；變化的電流；變化的磁場；運動的穩(wěn)恒電流；運動的穩(wěn)恒電流；運動的磁鐵；在磁場中運動的導體。運動的磁鐵；在磁場中運動的導體。并將并將“磁生電磁生電”的現(xiàn)象的現(xiàn)象定名定名為為“電磁感電磁感應應”。法拉第法拉第又進一步作了綜合分析，找到了又進一步作了綜合分析，找到了產(chǎn)生產(chǎn)生電磁感應電磁感應的基本條件的基本條件二次電路二次電路( (B線圈線圈) )中中磁力線數(shù)量變化磁力線數(shù)量變化。 這樣就確立了這樣就確立了電磁感應定律電磁感應定律：導體線

15、圈中的導體線圈中的磁力線數(shù)量發(fā)生變化磁力線數(shù)量發(fā)生變化將在將在線圈中激起線圈中激起感應電流感應電流。 法拉第法拉第一生致力于科學研究事業(yè)，不圖一生致力于科學研究事業(yè)，不圖虛榮，甚至不接受為他增加的薪水。他成名之后，虛榮，甚至不接受為他增加的薪水。他成名之后，世界各國贈給他的學位、學銜和其他榮譽達世界各國贈給他的學位、學銜和其他榮譽達94種種之多，他從來不向任何人展示和炫耀。之多，他從來不向任何人展示和炫耀。 法拉第法拉第一生中一直過著一生中一直過著清貧而簡樸清貧而簡樸的生活，的生活，為后人留下了巨大的知識財富，他的代表作是為后人留下了巨大的知識財富，他的代表作是電學的實驗研究電學的實驗研究。他

16、還是一位了不起的。他還是一位了不起的科普科普作家作家，曾寫過，曾寫過蠟燭的化學史蠟燭的化學史等書，被譯成多等書，被譯成多種文字，流傳很廣。種文字，流傳很廣。 法拉第法拉第是當時世界上許多科學學會的是當時世界上許多科學學會的會員，是當時物理學家會員，是當時物理學家公認的領袖公認的領袖，是自，是自伽利略以來，從來沒有見過的頭腦中涌現(xiàn)伽利略以來，從來沒有見過的頭腦中涌現(xiàn)出那么多奇妙思想和發(fā)現(xiàn)的出那么多奇妙思想和發(fā)現(xiàn)的科學巨人科學巨人，是，是自學成材自學成材的的典范典范( (他小學沒有畢業(yè)他小學沒有畢業(yè),13,13歲到歲到書店當學徒書店當學徒) )，是是人類走向人類走向電氣時代的開路電氣時代的開路先鋒

17、先鋒。1867年年8 8月月25日，他坐在椅子上安詳日，他坐在椅子上安詳?shù)厝ナ?。地去世。?chuàng)造性的科學思維創(chuàng)造性的科學思維磁感線磁感線與與場場概念的引入概念的引入條形磁鐵周圍條形磁鐵周圍鐵屑鐵屑沿沿磁感應線磁感應線排列排列 法拉第于法拉第于1831年底年底用用鐵粉實驗鐵粉實驗展示并提出了展示并提出了“磁力線磁力線” （現(xiàn)稱（現(xiàn)稱磁感應線磁感應線）概念。他認為）概念。他認為磁感應線磁感應線顯示了在磁體周顯示了在磁體周圍空間是圍空間是物理空間物理空間，其中存在，其中存在“磁場磁場”。利用。利用磁感應線磁感應線在在空間分布的空間分布的疏密程度疏密程度可以直觀地描述可以直觀地描述磁場的強弱磁場的強弱?！?/p>

18、密密”表示表示 “強強”，“稀稀”表示表示“弱弱”。 磁感應強度磁感應強度是矢量，有是矢量，有大小大小和和方向方向。在。在磁感磁感應線應線上某點的上某點的切線方向切線方向為為該點該點磁感應強度方向。磁感應強度方向。人們有規(guī)定磁場的方向是將小磁針放在該點時，人們有規(guī)定磁場的方向是將小磁針放在該點時，北極所指方向北極所指方向。 “場場”概念引入的概念引入的重大意義重大意義 力線力線和和場場的概念的提出，不僅使的概念的提出，不僅使電磁感應電磁感應可給以定可給以定量的描述，而且量的描述，而且“場場”的提出，表明的提出，表明電力電力和和磁力磁力是是一種一種近距作用近距作用，即這種力是通過，即這種力是通過

19、“場場”進行傳播的，進行傳播的，不是不是“超距作用超距作用”。更重要的是：更重要的是：“場場”的引入的引入是物理學中是物理學中極具想象力極具想象力的創(chuàng)舉的創(chuàng)舉，對物理學發(fā)展具有開創(chuàng)意義。在過去人們，對物理學發(fā)展具有開創(chuàng)意義。在過去人們認為認為物理實在物理實在是是質點質點，牛頓研究的是，牛頓研究的是質點質點的力學運的力學運動規(guī)律。而在電磁學的研究中，動規(guī)律。而在電磁學的研究中，物理實在物理實在是有連續(xù)是有連續(xù)的的“場場”來代表。來代表。法拉第法拉第和和麥克斯韋麥克斯韋研究的是研究的是“場場”的運動變化規(guī)律，這是一場偉大的變革。的運動變化規(guī)律，這是一場偉大的變革。 “想象力想象力比知識更重要，因為

20、比知識更重要，因為知識知識是是有限有限的，的，而而想象力想象力概括著世界上的一切，推動著進步，概括著世界上的一切，推動著進步，并且是知識進化的源泉。并且是知識進化的源泉?！?愛因斯坦愛因斯坦二、電磁感應定律電磁感應定律開辟了電氣時代的新開辟了電氣時代的新紀元紀元 電磁感應定律電磁感應定律使人類找到了使人類找到了機械能與電能機械能與電能之間的轉換方之間的轉換方法，開創(chuàng)了法，開創(chuàng)了電氣化時代電氣化時代的新紀元。的新紀元。19世紀世紀4040年代年代，西歐先進的資本主義國家先后進入了，西歐先進的資本主義國家先后進入了電氣電氣化時代化時代的早期階段。電磁學的飛速發(fā)展，引發(fā)了的早期階段。電磁學的飛速發(fā)展

21、，引發(fā)了第二次世第二次世界性技術革命浪潮界性技術革命浪潮，以，以電機電機為動力的電氣化工業(yè)體系和各為動力的電氣化工業(yè)體系和各種電氣工業(yè)生產(chǎn)部門，如種電氣工業(yè)生產(chǎn)部門，如電解、電鍍、電熱、電焊、電冶、電解、電鍍、電熱、電焊、電冶、電力生產(chǎn)電力生產(chǎn)和輸送等方面的工廠、企業(yè)如雨后春筍般地建立和輸送等方面的工廠、企業(yè)如雨后春筍般地建立起來，起來，電報、電話電報、電話等信息技術也被廣泛地利用起來。等信息技術也被廣泛地利用起來。電磁理論電磁理論和和電氣技術電氣技術的進步，把工業(yè)生產(chǎn)的進步，把工業(yè)生產(chǎn)推向了歷史的新高峰推向了歷史的新高峰。英國在英國在1840年年，由由電氣技術造成的勞動生產(chǎn)率電氣技術造成的勞

22、動生產(chǎn)率是是1770年蒸汽年蒸汽技術造成的勞動生產(chǎn)率的技術造成的勞動生產(chǎn)率的27倍倍，是，是手工勞手工勞動動的的108倍倍。70年中年中，勞動生產(chǎn)率，勞動生產(chǎn)率平均每平均每年提高年提高11.28。 1993年年，全世界發(fā)電總量達到，全世界發(fā)電總量達到12.26萬萬億千瓦時。億千瓦時。最大的水電站最大的水電站是巴西和巴拉圭的是巴西和巴拉圭的伊泰普水電站，裝機容量為伊泰普水電站，裝機容量為12601260萬干瓦。萬干瓦。 我國長江三峽電站我國長江三峽電站的裝機容量為的裝機容量為1850萬千瓦萬千瓦，它是世界電站之冠。，它是世界電站之冠。世界上最大的世界上最大的火電站火電站是俄羅斯的蘇爾古特第是俄羅

23、斯的蘇爾古特第二電廠，裝機容量為二電廠，裝機容量為480萬千瓦；萬千瓦； 最大的核電站最大的核電站是加拿大的布魯斯電是加拿大的布魯斯電站，裝機容量為站，裝機容量為728萬千瓦萬千瓦。世界上世界上電力電力生產(chǎn)正在穩(wěn)步增長，電力技生產(chǎn)正在穩(wěn)步增長，電力技術的發(fā)展正在向著高效率、注重環(huán)保的術的發(fā)展正在向著高效率、注重環(huán)保的更高目標邁進。展望更高目標邁進。展望21世紀，新的時代世紀，新的時代將更加光明，更加美好，更加豐富多彩。將更加光明，更加美好，更加豐富多彩。Nikola Tesla (18561943) Tesla was born in Croatia （克羅地亞克羅地亞）but spent m

24、ost of his professional life as an inventor in the United States. He was a key figure in the development of alternating current electricity, high-voltage transformers,and the transport of electric power via ac transmission lines.Teslas viewpoint was at odds with the ideas of Thomas Edison, who commi

25、tted himself to the use of direct current in power transmission. Teslas ac approach won out.特斯拉特斯拉1884年，年，特斯拉特斯拉第一次踏上美國國土，來到第一次踏上美國國土，來到了紐約。除了前雇主查爾斯了紐約。除了前雇主查爾斯巴奇勒所寫的巴奇勒所寫的推薦函外，他幾乎是一無所有。這封信是推薦函外，他幾乎是一無所有。這封信是寫給托馬斯寫給托馬斯愛迪生的，信中提到：愛迪生的，信中提到：“我知我知道有道有兩個偉大的人兩個偉大的人，你是其中之一，另一，你是其中之一，另一個就是這個年輕人了。個就是這個年輕人了。”

26、特斯拉特斯拉被認為是當時美國最偉大的被認為是當時美國最偉大的電機工程電機工程師師之一。他的許多發(fā)現(xiàn)被認為是具有開創(chuàng)性之一。他的許多發(fā)現(xiàn)被認為是具有開創(chuàng)性的，是的，是電機工程學電機工程學的先驅。的先驅。19121912年，由于特斯拉和愛迪生年，由于特斯拉和愛迪生在在電力方面電力方面的貢獻，兩人被的貢獻，兩人被同時授予同時授予諾貝爾物理學獎諾貝爾物理學獎，但是兩人都但是兩人都拒絕領獎拒絕領獎，理由，理由是無法忍受和對方一起是無法忍受和對方一起分享分享這一榮譽。這一榮譽。 特斯拉汽車公司特斯拉汽車公司（Tesla MotorsTesla Motors），一家生產(chǎn)和），一家生產(chǎn)和銷售電動汽車以及零件的

27、公司，只制造銷售電動汽車以及零件的公司，只制造純電動車純電動車，成立于成立于20032003年，總部設在了美國加州的硅谷地帶年，總部設在了美國加州的硅谷地帶11。特斯拉汽車公司是一家以美國硅谷為基地，。特斯拉汽車公司是一家以美國硅谷為基地，在納斯達克上市的電動車生產(chǎn)及設計公司，其總在納斯達克上市的電動車生產(chǎn)及設計公司，其總部位于加州帕羅奧圖。特斯拉由斯坦福大學的碩部位于加州帕羅奧圖。特斯拉由斯坦福大學的碩士輟學生馬斯克士輟學生馬斯克(Elon Musk)(Elon Musk)與碩士畢業(yè)生與碩士畢業(yè)生J.B. J.B. StraubelStraubel于于20032003年創(chuàng)立，專門生產(chǎn)純電動車

28、。年創(chuàng)立，專門生產(chǎn)純電動車。 1999年年，英國廣播公司英國廣播公司（BBC）所評選出的）所評選出的1000年來年來最最偉大的偉大的1010位思想家位思想家中中麥克斯韋麥克斯韋與與馬克思、愛因斯坦、牛頓等人一馬克思、愛因斯坦、牛頓等人一起榜上有名，他排名起榜上有名，他排名第九第九。后由。后由英國雜志英國雜志物理世界物理世界在在100位位著名物理學家著名物理學家中選出的中選出的10位最偉位最偉大者大者中，中，麥克斯韋麥克斯韋緊跟緊跟愛因斯坦愛因斯坦和和牛頓牛頓排名第三排名第三。 麥克斯韋麥克斯韋2.3.2 電磁場理論電磁場理論 法拉第法拉第無疑是一位偉大的實驗家，無疑是一位偉大的實驗家，有豐富的

29、想象力，但他一系列觀點有豐富的想象力，但他一系列觀點還缺還缺乏乏嚴格的嚴格的數(shù)學形式數(shù)學形式，在理論上，在理論上不夠嚴密不夠嚴密。加上當時在學術界中，加上當時在學術界中，“超距作用超距作用”的的傳統(tǒng)觀念還很深，所以當時學術界對法傳統(tǒng)觀念還很深，所以當時學術界對法拉第學說表示出拉第學說表示出冷漠冷漠、甚至、甚至非議非議。 “法拉第法拉第和和麥克斯韋麥克斯韋在在電磁場電磁場方面的方面的工作引起一場工作引起一場最偉大的革命最偉大的革命” 愛因斯坦愛因斯坦 可是年輕的可是年輕的麥克斯韋麥克斯韋卻有與眾不同的眼卻有與眾不同的眼光，他體會到了光，他體會到了“場場”的引入的革命性意義。的引入的革命性意義。他

30、被法拉第的成果所吸引。在他被法拉第的成果所吸引。在1856年以后，年以后，他致力于他致力于用數(shù)學語言用數(shù)學語言翻譯翻譯和和表述表述電磁場電磁場的運的運動規(guī)律。動規(guī)律。 2.3.2 電磁場理論電磁場理論表達表達電磁基本定律電磁基本定律的的麥克斯韋麥克斯韋四元方程組四元方程組描述了描述了電磁場電磁場普遍遵從的規(guī)律。它同物質普遍遵從的規(guī)律。它同物質的的介質方程、洛倫茲力公式介質方程、洛倫茲力公式以及以及電荷守恒電荷守恒定律定律結合起來，原則上可以解決各種宏觀結合起來，原則上可以解決各種宏觀電動力學電動力學問題。問題。 oD dSqBE dldSt 0B dSoDH dlIdSt 根據(jù)根據(jù)麥克斯韋方程

31、組麥克斯韋方程組導出的一個導出的一個重要結果是重要結果是: :預言預言電磁波的存在電磁波的存在。電電磁波磁波在在真空中真空中傳播的速度為傳播的速度為 c。其數(shù)。其數(shù)值與值與光光在真空中傳播的速度相同，在真空中傳播的速度相同，說明說明光光是是電磁波電磁波。 麥克斯韋麥克斯韋（JamesClerk Maxwell，18311879）英國物理學家英國物理學家，經(jīng)典電磁理論經(jīng)典電磁理論的奠基人。的奠基人。1831年年6 6月月1313日出生于愛丁堡。父日出生于愛丁堡。父親受的是法學教育，但思想活躍，愛好科學親受的是法學教育，但思想活躍，愛好科學技術，使他從小就受到科學的熏陶。技術，使他從小就受到科學的

32、熏陶。1010歲那歲那年進了愛丁堡中學，由于年進了愛丁堡中學，由于講話帶有很重的鄉(xiāng)講話帶有很重的鄉(xiāng)音和衣著不入時音和衣著不入時，在班上經(jīng)常，在班上經(jīng)常被排擠被排擠、受譏受譏笑笑。但在一次全校舉行的數(shù)學和詩歌的比賽。但在一次全校舉行的數(shù)學和詩歌的比賽中，中，麥克斯韋一人麥克斯韋一人獨得獨得兩個科目的一等獎。兩個科目的一等獎。 他以自己的他以自己的勤奮勤奮和和聰穎聰穎獲得了同學們獲得了同學們的尊敬。他的學習內容逐漸地突破了課的尊敬。他的學習內容逐漸地突破了課本和課堂教學的局限。他的關于本和課堂教學的局限。他的關于卵形曲卵形曲線線畫法畫法的第一篇科學論文發(fā)表在的第一篇科學論文發(fā)表在愛丁愛丁堡皇家學會

33、會刊堡皇家學會會刊上，他采用的方法比上，他采用的方法比笛卡兒的方法笛卡兒的方法還簡便。那時他僅僅還簡便。那時他僅僅15歲歲。 1847年入年入愛丁堡大學愛丁堡大學聽課，聽課，專攻數(shù)學專攻數(shù)學。但。但他很重視參加實驗，廣泛涉獵他很重視參加實驗，廣泛涉獵電化學、光學、電化學、光學、分子物理學以及機械工程分子物理學以及機械工程等等。他說：等等。他說：“把把數(shù)學分析數(shù)學分析和實驗研究聯(lián)合使用得到的物理科和實驗研究聯(lián)合使用得到的物理科學知識，比之一個單純的實驗人員或單純的學知識，比之一個單純的實驗人員或單純的數(shù)學家所具有的知識更加堅實、有益而牢數(shù)學家所具有的知識更加堅實、有益而牢固。固?！?850年考入

34、年考入劍橋大學劍橋大學，1854年以優(yōu)異年以優(yōu)異成績畢業(yè)并獲得了學位，留校工作。成績畢業(yè)并獲得了學位，留校工作。1856年起任蘇格蘭阿伯丁的馬里沙耳學年起任蘇格蘭阿伯丁的馬里沙耳學院的自然哲學講座教授，直到院的自然哲學講座教授，直到1874年。年。經(jīng)經(jīng)法拉第法拉第舉薦舉薦，自，自1860年起任倫敦皇家年起任倫敦皇家學院的物理學和天文學教授。學院的物理學和天文學教授。1871年起年起負責籌劃負責籌劃卡文迪什實驗室卡文迪什實驗室，隨后被任命，隨后被任命在劍橋大學在劍橋大學創(chuàng)辦卡文迪什實驗室并擔任創(chuàng)辦卡文迪什實驗室并擔任第一任負責人第一任負責人。1879年年11月月5日日，麥克斯韋麥克斯韋因病在劍因

35、病在劍橋逝世，年僅橋逝世，年僅48歲歲。那一年正好。那一年正好愛愛因斯坦因斯坦出生?？茖W史上這種巧合還出生?？茖W史上這種巧合還有一次是在有一次是在16421642年，那一年年，那一年伽里略伽里略去世，去世，牛頓牛頓出生。出生。 麥克斯韋麥克斯韋一生從事過多方面的物理學研一生從事過多方面的物理學研究工作，究工作，他最杰出的貢獻是在經(jīng)典電磁理論他最杰出的貢獻是在經(jīng)典電磁理論方面方面。在劍橋讀書期間，當麥克斯韋讀過。在劍橋讀書期間，當麥克斯韋讀過法法拉第拉第的的電學實驗研究電學實驗研究之后，立刻被書中之后，立刻被書中的的新穎見解新穎見解所吸引，他敏銳地領會到了法拉所吸引，他敏銳地領會到了法拉第的第的

36、“力線力線”和和“場場”的概念的重要性。但的概念的重要性。但是，是，他注意到他注意到全書竟然無一數(shù)學公式全書竟然無一數(shù)學公式，這說，這說明法拉第的學說還明法拉第的學說還缺乏嚴密的理論形式缺乏嚴密的理論形式。 在其老師在其老師威廉威廉湯姆孫湯姆孫的啟發(fā)和幫的啟發(fā)和幫助下，助下，決心決心用自己的數(shù)學才能用自己的數(shù)學才能來彌補法來彌補法拉第工作的這一缺陷拉第工作的這一缺陷。1855年他發(fā)表了年他發(fā)表了第一篇論文第一篇論文論法拉第的力線論法拉第的力線。把法。把法拉第的直觀力學圖象用拉第的直觀力學圖象用數(shù)學形式表達了數(shù)學形式表達了出來出來，文中給出了，文中給出了電流電流和和磁場磁場之間的之間的微微分關系

37、式分關系式。不久，收到。不久，收到法拉第法拉第的來信，的來信，贊揚說：贊揚說：“我驚異地發(fā)現(xiàn)，我驚異地發(fā)現(xiàn)，這個數(shù)學加這個數(shù)學加得很妙！得很妙！” 1860年，年，29歲的麥克斯韋歲的麥克斯韋去拜訪去拜訪年近年近70的法的法拉第拉第，法拉第勉勵麥克斯韋：，法拉第勉勵麥克斯韋：“不要局限于不要局限于用數(shù)學來解釋已有的見解，用數(shù)學來解釋已有的見解，而應該突破而應該突破它它?！?861年，麥克斯韋深入分析了年，麥克斯韋深入分析了變化磁變化磁場產(chǎn)生感應電動勢場產(chǎn)生感應電動勢的現(xiàn)象，獨創(chuàng)性地提出了的現(xiàn)象，獨創(chuàng)性地提出了“分子渦旋分子渦旋”和和“位移電流位移電流”兩個兩個著名假設著名假設。這些內容發(fā)表在這

38、些內容發(fā)表在1862年的第二篇論文年的第二篇論文論物論物理力線理力線中。這兩個假設已不僅僅是法拉第中。這兩個假設已不僅僅是法拉第成果的數(shù)學反映，而是對法拉第成果的數(shù)學反映，而是對法拉第電磁學電磁學作出作出了了實質性的增補實質性的增補。 1864年年12月月8日日，麥克斯韋在英國皇家學會的集會上，麥克斯韋在英國皇家學會的集會上宣讀了題為宣讀了題為電磁場的動力學理論電磁場的動力學理論的的重要論文重要論文，對以前，對以前有關電磁現(xiàn)象和理論進行了系統(tǒng)的概括和總結，提出了有關電磁現(xiàn)象和理論進行了系統(tǒng)的概括和總結，提出了聯(lián)聯(lián)系著系著電荷電荷、電流電流和和電場電場、磁場磁場的的基本微分方程組基本微分方程組。

39、該方程。該方程組后來經(jīng)組后來經(jīng)H.R.H.R.赫茲，赫茲，O.O.亥維賽和亥維賽和H.A.H.A.洛倫茲等人整理和改洛倫茲等人整理和改寫，就成了作為寫，就成了作為經(jīng)典電動力學經(jīng)典電動力學主要基礎的主要基礎的麥克斯韋方程組麥克斯韋方程組。這理論所宣告的一個直接的推論在科學史上具有重要意義，這理論所宣告的一個直接的推論在科學史上具有重要意義，即即預言了電磁波的存在預言了電磁波的存在。交變的電磁場以光速和橫波的形。交變的電磁場以光速和橫波的形式在空間傳播，這就是電磁波；式在空間傳播，這就是電磁波；光就是一種可見的電磁波光就是一種可見的電磁波。電、磁、光的統(tǒng)一，被認為是電、磁、光的統(tǒng)一，被認為是191

40、9世紀科學史上世紀科學史上最偉大的綜最偉大的綜合合之一。之一。 1888年，年，麥克斯韋麥克斯韋的的預言預言被被H. .赫茲赫茲所證實。所證實。1865年以后，麥克斯韋利用因病離職休養(yǎng)的年以后，麥克斯韋利用因病離職休養(yǎng)的時間，系統(tǒng)地總結了近百年來時間，系統(tǒng)地總結了近百年來電磁學電磁學研究的研究的成果，于成果，于1873年出版了他的年出版了他的巨著巨著電磁理論電磁理論這部科學名著，內容豐富、形式完備，體現(xiàn)這部科學名著，內容豐富、形式完備，體現(xiàn)出理論和實驗的一致性，被認為可以和牛頓出理論和實驗的一致性，被認為可以和牛頓的的自然哲學的數(shù)學原理自然哲學的數(shù)學原理交相輝映。交相輝映。麥克麥克斯韋的電磁理

41、論斯韋的電磁理論成為經(jīng)典物理學的重要支柱成為經(jīng)典物理學的重要支柱之一。之一。 赫茲（赫茲（Hertz）是計算）是計算頻率頻率的單位，意的單位，意為每秒的周期性振動次數(shù)。其命名取自為每秒的周期性振動次數(shù)。其命名取自德德國物理學家國物理學家海因里希海因里希魯?shù)婪螋數(shù)婪蚝掌澓掌?。其符號。其符號是是“Hz”。 赫茲赫茲對人類最偉大的貢獻是用對人類最偉大的貢獻是用實驗證實了實驗證實了電磁波電磁波的存在。的存在。 麥克斯韋麥克斯韋興趣廣泛，才智過人，他不興趣廣泛，才智過人，他不但是建立各種模型來但是建立各種模型來類比類比不同物理現(xiàn)象的能不同物理現(xiàn)象的能手，手，更是運用數(shù)學工具來分析物理問題的大更是運用數(shù)學

42、工具來分析物理問題的大師師。他在其他領域中也做出了不少貢獻。他在其他領域中也做出了不少貢獻。18591859年他用年他用統(tǒng)計方法導出統(tǒng)計方法導出了處于熱平衡態(tài)中了處于熱平衡態(tài)中的的氣體分子的氣體分子的“麥克斯韋速率分布律麥克斯韋速率分布律”。他。他用數(shù)學方法證明了土星環(huán)是由一群離散的衛(wèi)用數(shù)學方法證明了土星環(huán)是由一群離散的衛(wèi)星聚集而成的。這項研究的論文獲得亞當斯星聚集而成的。這項研究的論文獲得亞當斯獎；在論文中他運用了獎；在論文中他運用了200多個方程，多個方程，由此可由此可見他駕馭數(shù)學的高超能力！見他駕馭數(shù)學的高超能力！在在色視覺色視覺方面他提出了方面他提出了三原色理論三原色理論。他首先。他首

43、先提出了提出了實現(xiàn)彩色攝影實現(xiàn)彩色攝影的具體方案。他設計的的具體方案。他設計的“色陀螺色陀螺”獲得皇家學會的獎章。獲得皇家學會的獎章。麥克斯韋麥克斯韋在他生命的最后幾年里，花費了很大氣力整在他生命的最后幾年里，花費了很大氣力整理和出版理和出版卡文迪什的遺稿卡文迪什的遺稿以及以及創(chuàng)建卡文迪許創(chuàng)建卡文迪許實驗室實驗室，為人類留下又一筆珍貴的科學遺產(chǎn)。，為人類留下又一筆珍貴的科學遺產(chǎn)?？ㄎ牡显S卡文迪許實驗室實驗室 卡文迪許實驗室卡文迪許實驗室是英國是英國劍橋劍橋大學大學的物理實驗室，實際上就是的物理實驗室，實際上就是它的物理系。它的物理系。 劍橋大學的劍橋大學的卡文迪許實驗室卡文迪許實驗室建于建于1

44、87l1874年間，是當時年間，是當時劍橋大學的一位校長劍橋大學的一位校長威廉威廉卡文迪許卡文迪許私人捐款私人捐款興建的。他是十八十九世紀對物理學興建的。他是十八十九世紀對物理學和化學做出過巨大貢獻的科學家和化學做出過巨大貢獻的科學家亨利亨利卡文迪許的卡文迪許的近親近親。這個實驗室就取名。這個實驗室就取名卡文迪許實驗室卡文迪許實驗室，當時，當時用了捐款用了捐款8450英鎊英鎊，除去蓋成一棟實驗樓館，還，除去蓋成一棟實驗樓館，還買了一些儀器設備。買了一些儀器設備。 著名的著名的卡文迪許實驗室卡文迪許實驗室對整個對整個實實驗物理學驗物理學的發(fā)展產(chǎn)生了極其重要的影的發(fā)展產(chǎn)生了極其重要的影響，響，眾多

45、著名科學家眾多著名科學家都曾在該實驗室都曾在該實驗室工作過?？ㄎ牡显S實驗室甚至被譽為工作過?？ㄎ牡显S實驗室甚至被譽為“諾貝爾物理學獎獲得者諾貝爾物理學獎獲得者的的搖籃搖籃” 近百年來近百年來卡文迪許實驗室培養(yǎng)卡文迪許實驗室培養(yǎng)出的出的諾貝爾獎金獲得者諾貝爾獎金獲得者已達已達26人人。麥克斯韋、瑞利、麥克斯韋、瑞利、J.J.湯姆遜、盧瑟湯姆遜、盧瑟福等先后主持過該實驗室。福等先后主持過該實驗室。 關于作用力是否需要關于作用力是否需要中間媒介物中間媒介物質質的傳遞，對此問題的不同觀點就形成的傳遞，對此問題的不同觀點就形成了了近距近距作用和作用和超距超距作用的爭論。作用的爭論。2.3.3 近距近距作

46、用作用與與超距超距作用作用之爭之爭什么是什么是近距近距作用和作用和超距超距作用呢？作用呢？ 自古以來人們把自古以來人們把相互接觸物體相互接觸物體的作的作用叫做用叫做接觸作用接觸作用或或近距作用近距作用。例如：物體。例如：物體之間的之間的推、拉、壓、撞擊推、拉、壓、撞擊和和摩擦摩擦等等。近距作用近距作用的的特點特點是是：作用力作用力是通過是通過媒媒 質質逐步傳遞的。逐步傳遞的。例如，纖夫拉船，雖然纖夫例如，纖夫拉船，雖然纖夫并沒有直接接觸并沒有直接接觸船船，但是，但是拉力拉力通過纖繩通過纖繩一段一段地一段一段地傳遞而作傳遞而作用到船上。用到船上。 非接觸物體非接觸物體之間的作用叫做之間的作用叫做

47、超距超距作作用。例如用。例如磁石磁石對對鐵的吸引力。鐵的吸引力。超距超距作用的作用的特點是特點是：相隔一定距離的物體：相隔一定距離的物體之間存在著之間存在著直接的、瞬時直接的、瞬時的相互作用。的相互作用。 比如比如地球地球與它上面的物體的吸引。它們之與它上面的物體的吸引。它們之間間并不直接接觸并不直接接觸，但是，但是相互吸引相互吸引確實存在確實存在。這兩種觀點這兩種觀點的的對立表現(xiàn)在對立表現(xiàn)在：超距作用超距作用不需要不需要任何媒介任何媒介傳遞傳遞，從而也，從而也不需不需要傳遞時間。要傳遞時間。近距作用近距作用則需要則需要中間媒介物質中間媒介物質的傳遞的傳遞，自自然也需要傳遞時間然也需要傳遞時間。顯然顯然，這兩種觀點是這兩種觀點是針鋒相