電磁學(xué)的發(fā)展--講課.ppt

“自從牛頓奠定理論物理學(xué)基礎(chǔ)以來(lái)，物理學(xué)的公理基礎(chǔ)換句話說(shuō)，就是我們關(guān)于實(shí)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(ài)因斯坦,第四講 電磁學(xué)的發(fā)展,伽利略和牛頓所取得如此偉大成就，是因?yàn)樗麄儼芽茖W(xué)思維和實(shí)驗(yàn)研究很好地結(jié)合在一起，為力學(xué)的發(fā)展開(kāi)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(gè)個(gè)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(jī)械論觀點(diǎn)宣告徹底失敗。,電磁學(xué)發(fā)展史中的典型事件,歷史概述,電現(xiàn)象和磁現(xiàn)象很早受人類(lèi)注意，留下了許多文字記載。在17世紀(jì)前，大多數(shù)是觀察和零碎的知識(shí)，到17世紀(jì)后才有一些系統(tǒng)的研究，而定量的研究則更晚。18世紀(jì)中葉以后，磁力和電力的平方反比定律相繼發(fā)現(xiàn)，靜電學(xué)和靜磁場(chǎng)開(kāi)始沿牛頓力學(xué)的發(fā)展登上科學(xué)的舞臺(tái)。18世紀(jì)末，隨著電堆的發(fā)明，人們有可能人為地產(chǎn)生和控制電流。19世紀(jì)，電流的磁效應(yīng)、化學(xué)效應(yīng)、熱效應(yīng)相繼的發(fā)現(xiàn)，其規(guī)律得到了定量的表述，電學(xué)和磁學(xué)得到了和諧統(tǒng)一的發(fā)展，建立了統(tǒng)一的電磁理論，并證實(shí)了電磁波的存在。,本講將涉及下面一些科學(xué)家以及他們的重大發(fā)現(xiàn)，他們是：庫(kù)侖、奧斯特、安培、法拉第和麥克斯韋等。,庫(kù)侖,奧斯特,安培,法拉第,麥克斯韋,Electricity（電）來(lái)自希臘文的“琥珀”。 中國(guó)古代，早在公元前3世紀(jì)，古書(shū)韓非子就記載司南；呂氏春秋記有慈石召鐵。西漢末年（公元20年）有玳瑁吸細(xì)小物體。 系統(tǒng)研究始于17世紀(jì)。1600年，英國(guó)醫(yī)生吉伯（1544-1603）發(fā)表了論磁、磁體和地球作為一個(gè)巨大的磁體，吉伯的工作是磁學(xué)成為物理學(xué)的一個(gè)分支。,4.1 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(guó)古代的貢獻(xiàn)：最早文字記載“雷”、“電”，發(fā)明指南針等。 最早總結(jié)前人對(duì)電磁研究的大量經(jīng)驗(yàn)， 討論電磁體性質(zhì)的英國(guó)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(tái)摩擦起電機(jī)發(fā)明后，對(duì)靜電 研究才迅速開(kāi)展起來(lái)。,吉爾伯特,1660年，蓋里克（1602-1668）發(fā)明摩擦起電機(jī)。 蓋里克的摩擦起電機(jī)實(shí)驗(yàn)被許多人重復(fù)，人們紛紛仿照他的方法做靜電實(shí)驗(yàn)，1705年豪克斯比（1666-1713）用空心玻璃球代替硫磺球，發(fā)現(xiàn)效果一樣。 1720年，格雷（1675-1736）研究了電的傳導(dǎo)現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)體和絕緣體的區(qū)別。隨后，他又發(fā)現(xiàn)了導(dǎo)體的靜電感應(yīng)現(xiàn)象。 1773年杜菲（1698-1739）經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)區(qū)分出兩種電荷，他分別為松脂電（負(fù)電）和玻璃電（正電），并總結(jié)出靜電作用的基本特性：同性相斥，異性相吸。 萊頓瓶的發(fā)明使電現(xiàn)象得到更深入的研究，這是克萊斯特和馬森布落克在1745-1746年分別做出。,二、富蘭克林對(duì)雷電現(xiàn)象的研究,1.富蘭克林(1706-1790): 美國(guó)人 在全家10個(gè)孩子中排行8，其父是小手工業(yè)者，家境貧困。他在10歲時(shí)綴學(xué)，12歲當(dāng)印刷所學(xué)徒，閱讀了許多書(shū)籍，和幾個(gè)青年創(chuàng)辦了“共讀社”，后來(lái)成為科學(xué)家和政治家。自己寫(xiě)的墓志銘:“印刷工富蘭克林”。,從蒼天那里取得了雷電，從暴君那里取得了民權(quán)。杜爾格（法）,2.費(fèi)城實(shí)驗(yàn) 1746年，一位英國(guó)學(xué)者在波士頓利用玻璃管和萊頓瓶表演了電學(xué)實(shí)驗(yàn)。富蘭克林懷著極大的興趣觀看了他的表演，并被電學(xué)這一剛剛興起的科學(xué)強(qiáng)烈地吸引住了。隨后富蘭克林開(kāi)始了電學(xué)的研究。富蘭克林在家里做了大量實(shí)驗(yàn)，研究了兩種電荷的性能，說(shuō)明了電的來(lái)源和在物質(zhì)中存在的現(xiàn)象。在十八世紀(jì)以前，人們還不能正確地認(rèn)識(shí)雷電到底是什么。當(dāng)時(shí)人們普遍相信雷電是上帝發(fā)怒的說(shuō)法。一些不信上帝的有識(shí)之士曾試圖解釋雷電的起因，但都未獲成功，學(xué)術(shù)界比較流行的是認(rèn)為雷電是“氣體爆炸”的觀點(diǎn)。,富蘭克林當(dāng)時(shí)已40歲時(shí)，對(duì)電很有興趣。其中有一個(gè)想法，天上的電和地電是統(tǒng)一的嗎? 他經(jīng)過(guò)反復(fù)思考，斷定雷電也是一種放電現(xiàn)象，它和在實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)生的電在本質(zhì)上是一樣的。于是，他寫(xiě)了一篇名叫論天空閃電和我們的電氣相同的論文，并送給了英國(guó)皇家學(xué)會(huì)。但富蘭克林的偉大設(shè)想竟遭到了許多人的嘲笑，有人甚至嗤笑他是“想把上帝和雷電分家的狂人”。 富蘭克林決心用事實(shí)來(lái)證明一切。1752年6月的一天 ，一個(gè)電閃雷鳴的上午，他將一個(gè)風(fēng)箏放到空中，風(fēng)箏下有一根鐵絲，鐵絲下栓一根麻繩，當(dāng)一道閃電從風(fēng)箏上掠過(guò)，富蘭克林用手靠近風(fēng)箏上的鐵絲，立即掠過(guò)一種恐怖的麻木感。,他抑制不住內(nèi)心的激動(dòng)，大聲呼喊：“威廉，我被電擊了！”隨后，他又將風(fēng)箏線上的電引入萊顧瓶中?；氐郊依镆院螅惶m克林用雷電進(jìn)行了各種電學(xué)實(shí)驗(yàn)，證明了天上的雷電與人工摩擦產(chǎn)生的電具有完全相同的性質(zhì)。富蘭克林關(guān)于天上和人間的電是同一種東西的假說(shuō)，在他自己的這次實(shí)驗(yàn)中得到了光輝的證實(shí)。,富蘭克林的工作，揭開(kāi)了雷電的奧秘，統(tǒng)一了“天電”和“地電”，震驚了科學(xué)界。 小插曲： 為了驗(yàn)證“地電”與“天電”的相同處，富蘭克林想到雷可以擊死動(dòng)物，于是他就實(shí)驗(yàn)用“地電”去擊殺火雞，結(jié)果被電打昏了。蘇醒后，卻不介意地說(shuō)：“我本想用電殺死一只火雞，結(jié)果差點(diǎn)電死了一個(gè)傻瓜?！?然而，風(fēng)險(xiǎn)是的確存在的。1753年，俄國(guó)的里赫曼在做大氣電實(shí)驗(yàn)時(shí)不幸中電身亡，為科學(xué)獻(xiàn)身。,3.發(fā)明避雷針:富蘭克林并不滿足，將他的發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)化為了新的發(fā)明。避雷針誕生了。 4.科學(xué)興趣廣泛:命名了正電，負(fù)電，發(fā)現(xiàn)了電荷守恒定律，研究了火爐的改良，植物的移植，傳染病的防治。 寫(xiě)出了電學(xué)的實(shí)驗(yàn)和研究的著作。 5.富蘭克林是獨(dú)立宣言和美國(guó)憲法的起草人之一，為祖國(guó)的獨(dú)立和解放作出了貢獻(xiàn)的政治活動(dòng)家。,三、庫(kù)侖定律 類(lèi)比萬(wàn)有引力，科學(xué)家猜測(cè)電荷間作用力與距離平方成反比。 羅比遜實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn),羅比遜實(shí)驗(yàn)裝置,偏差,卡文迪許利用兩個(gè)同心球的實(shí)驗(yàn)證明了上述規(guī)律，他得到=0.02，可惜兩人的工作都未發(fā)表。,卡文迪許同心球?qū)嶒?yàn)裝置,庫(kù)侖于1785年用電扭秤實(shí)驗(yàn)，通過(guò)與萬(wàn)有引力類(lèi)比，確信并提出了庫(kù)侖定律,C2/（Nm2）,計(jì)算表明，庫(kù)侖力遠(yuǎn)大于萬(wàn)有引力,三、從庫(kù)侖定律的建立看，類(lèi)比方法的重要性,庫(kù)侖測(cè)得=0.04，但他斷定力與距離成平方反比，是成功運(yùn)用類(lèi)比方法的結(jié)果。 麥克斯韋對(duì)類(lèi)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(lèi)比的存在。所謂物理類(lèi)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(shuō)明。”,湯川秀樹(shù)也是類(lèi)比法的成功運(yùn)用者，他通過(guò)將核力和電磁力類(lèi)比，成功地提出了核力的介子理論。他說(shuō)：“類(lèi)比是一種創(chuàng)造性思維的形式，假定存在一個(gè)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(guò)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(dāng)?shù)模疫€沒(méi)有人達(dá)到這樣的理解，那么可以說(shuō)，他的思維確實(shí)是創(chuàng)造性得到?！?必須指出：有時(shí)簡(jiǎn)單的類(lèi)比也會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤的結(jié)果。如惠更斯類(lèi)比聲波，認(rèn)為光波也是縱波就錯(cuò)了?？梢?jiàn)類(lèi)比結(jié)果是否正確還得由實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)。,一、 伽伐尼發(fā)現(xiàn)“動(dòng)物電” 伽伐尼的研究(1737-1798): 意大利人，解剖學(xué)教授。 1780年他與學(xué)生解剖青蛙，發(fā)現(xiàn)電火花會(huì)使蛙腿抽搐，后來(lái)他又發(fā)現(xiàn)當(dāng)用銅鉤倒掛蛙腿，再用鐵梁橫挑，蛙腿也會(huì)痙攣。 1791年發(fā)表了論文論肌肉運(yùn)動(dòng)中的電力。 發(fā)現(xiàn)電流的第一人，但認(rèn)為是一種動(dòng)物電。,4.2 電流的產(chǎn)生及其磁效應(yīng),二、伏打（1737-1798）的“金屬接觸說(shuō)” 1.伏打 意大利帕維大學(xué)教授，否定了伽伐尼動(dòng)物說(shuō)。他認(rèn)為，電來(lái)自兩種不同金屬的接觸，青蛙只不過(guò)是起了驗(yàn)電器的作用。 為了闡明自己的觀點(diǎn)，他比較了各種金屬，并把它們排成表，只要將其中兩種金屬接觸，就可以產(chǎn)生接觸電勢(shì)差。,2.伏打電池第一個(gè)直流電源 1800年，伏打根據(jù)他自己的觀點(diǎn)，制成了伏打電池。得到了拿破侖授予的一枚金質(zhì)獎(jiǎng)?wù)?。并成為法?guó)科學(xué)院的院士。今天電學(xué)中的一個(gè)重要單位伏特，就是為了紀(jì)念他。,3.意義 電池的發(fā)明，提供了產(chǎn)生恒定電流的電源，使電學(xué)從靜電走向動(dòng)電，為人們研究電流的各種效應(yīng)提供了條件。從此電學(xué)進(jìn)入了飛速發(fā)展時(shí)期。,三、歐姆定律(1787-1854) 喬治西蒙歐姆生于德國(guó)埃爾蘭根城，父親是鎖匠。父親自學(xué)了數(shù)學(xué)和物理方面的知識(shí)，并教給少年時(shí)期的歐姆，喚起了歐姆對(duì)科學(xué)的興趣。16歲時(shí)他進(jìn)入埃爾蘭根大學(xué)研究數(shù)學(xué)、物理與哲學(xué)，由于經(jīng)濟(jì)困難，中途綴學(xué)，到1813年才完成博士學(xué)業(yè)。歐姆是一個(gè)很有天才和科學(xué)抱負(fù)的人，他長(zhǎng)期擔(dān)任中學(xué)教師，但他在孤獨(dú)與困難的環(huán)境中始終堅(jiān)持不懈地進(jìn)行科學(xué)研究，自己動(dòng)手制作儀器，后被慕尼黑大學(xué)任命為教授。,歐姆對(duì)導(dǎo)線中的電流進(jìn)行了研究。他從傅立葉發(fā)現(xiàn)的熱傳導(dǎo)規(guī)律受到啟發(fā)，導(dǎo)熱桿中兩點(diǎn)間的熱流正比于這兩點(diǎn)間的溫度差。因而歐姆認(rèn)為，電流現(xiàn)象與此相似，猜想導(dǎo)線中兩點(diǎn)之間的電流也許正比于它們之間的某種驅(qū)動(dòng)力，即現(xiàn)在所稱(chēng)的電動(dòng)勢(shì)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，在1826年發(fā)現(xiàn)了歐姆定律，由此與電流相關(guān)的物理量可以測(cè)定和推出。,人們?yōu)榧o(jì)念他，將電阻的單位定為“歐姆”。,歐姆定律發(fā)現(xiàn)初期，許多物理學(xué)家不能正確理解和評(píng)價(jià)這一發(fā)現(xiàn)，并遭到懷疑和尖銳的批評(píng)。研究成果被忽視，經(jīng)濟(jì)極其困難，使歐姆精神抑郁。直到1841年英國(guó)皇家學(xué)會(huì)授予他最高榮譽(yù)的科普利金牌，才引起德國(guó)科學(xué)界的重視。,四、奧斯特發(fā)現(xiàn)電流磁效應(yīng) 丹麥著名的物理學(xué)家?jiàn)W斯特(1777-1851)發(fā)現(xiàn)了電流的磁效應(yīng)。電流磁效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)并不是人們所認(rèn)為的是他的偶遇，他早就有把自然界中各種現(xiàn)象相互聯(lián)系的思想。1803年他就說(shuō)過(guò)，我們物理學(xué)將不再是運(yùn)動(dòng)、熱、空氣、光、電、磁以及我們所知道的任何其他現(xiàn)象的零碎羅列，而我們將把整個(gè)世界容納在一個(gè)體系中。奧斯特正是以這樣的觀點(diǎn)出發(fā)，來(lái)探索電和磁之間的聯(lián)系，這是他發(fā)現(xiàn)電流磁效應(yīng)的思想基礎(chǔ)。,奧斯特基于: （1）自然哲學(xué)思想 受康哲學(xué)思想影響, 認(rèn)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(huì)發(fā)生磁的跡象。 堅(jiān)信電磁間有聯(lián)系，并開(kāi)展電是否能產(chǎn) 生磁的研究。,法國(guó)著名生物學(xué)家巴斯德在講述奧斯特的發(fā)現(xiàn)時(shí)， 說(shuō)過(guò)一句名言： “在觀察領(lǐng)域的一切機(jī)遇只偏愛(ài)有那些準(zhǔn)備的頭腦?！?討論：這句名言已在社會(huì)上被廣泛使用。,奧斯持,1812年:“我們應(yīng)該檢驗(yàn)的是，究竟電是否以其最隱蔽的方式對(duì)磁體有類(lèi)似的作用。” 1818-1819年，與奧共事的人說(shuō):“奧斯特經(jīng)常在尋找這兩種大自然力之間的關(guān)系?！?機(jī)會(huì)來(lái)了，1820年4月的一天晚上，奧斯特在講課中突然出現(xiàn)了一個(gè)想法，講課快結(jié)束時(shí)，他說(shuō)：“讓我把導(dǎo)線與磁針平行放置來(lái)試試看?！碑?dāng)他接通電源時(shí)，發(fā)現(xiàn)小磁針微微動(dòng)了一下。這一現(xiàn)象使奧斯特又驚又喜，他緊緊抓住這一現(xiàn)象，連續(xù)進(jìn)行了3個(gè)月的實(shí)驗(yàn)研究，終于在1820年7月21日發(fā)表了題為關(guān)于磁針上的電流碰撞的實(shí)驗(yàn)的論文。這篇僅用了4頁(yè)紙的論文，是一篇極其簡(jiǎn)潔的實(shí)驗(yàn)報(bào)告。,奧斯特在報(bào)告中講述了他的實(shí)驗(yàn)裝置和多個(gè)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，從實(shí)驗(yàn)總結(jié)得出：電流的作用僅存在于載流導(dǎo)線的周?chē)?；沿著螺紋方向垂直于導(dǎo)線；電流對(duì)磁針的作用可以穿過(guò)各種不同的介質(zhì)；作用的強(qiáng)弱決定于介質(zhì)，也決定于導(dǎo)線到磁針的距離和電流的強(qiáng)弱；銅和其他一些材料做的針不受電流作用；通電的環(huán)形導(dǎo)體相當(dāng)于一個(gè)磁針，具有兩個(gè)磁極等。這篇短短的論文使歐洲物理學(xué)界產(chǎn)生了極大震動(dòng)，導(dǎo)致了大批實(shí)驗(yàn)成果的出現(xiàn)，由此開(kāi)辟了物理學(xué)的新領(lǐng)域電磁學(xué),一次演講中，奧斯特偶然發(fā)現(xiàn)導(dǎo)線通電時(shí)，在它的下方的小磁針有一微小晃動(dòng)。他抓住了這個(gè)現(xiàn)象，經(jīng)過(guò)3個(gè)月的反復(fù)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了電流磁效應(yīng)。揭開(kāi)了研究電與磁內(nèi)在聯(lián)系的序幕。,在此實(shí)驗(yàn)中，磁針受到了一個(gè)旋轉(zhuǎn)力，力學(xué)自然觀對(duì)此無(wú)法解釋。,三、安培對(duì)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(jìn)一步發(fā)現(xiàn)了通電螺線管與條形磁鐵的等效性。 安培實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步使力學(xué)自然觀失效，并為法拉第提出“場(chǎng)”的概念打下了實(shí)驗(yàn)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(guò)理論研究，提出了計(jì)算兩載流回路之間的相互作用力的方法。對(duì)于作用在長(zhǎng)為l 兩載流直導(dǎo)線上的力為,其中 和 是兩導(dǎo)線中的電流，d為兩平行導(dǎo)線間的距離，在國(guó)際單位制中，常量 為真空磁導(dǎo)率，,由此安培提出了著名的“磁性起源假說(shuō)”：物質(zhì)磁性來(lái)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(shuō)，直到19世紀(jì)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”。,4.3 電磁感應(yīng)定律,一、電磁感應(yīng)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn) 法拉第的自然哲學(xué)思想：他與奧斯特一樣，堅(jiān)信自然力的“統(tǒng)一性”，并追求這種統(tǒng)一性。他在實(shí)驗(yàn)記錄中有這樣一段話：“長(zhǎng)期以來(lái)，我就持有一種觀點(diǎn)，幾乎是一種信仰，我相信其他許多愛(ài)好自然知識(shí)的人也會(huì)共同有的，就是物質(zhì)的力表現(xiàn)出來(lái)時(shí)具有某種形態(tài)，都有一個(gè)共同的根源，或者換句話說(shuō)，它們是相互直接聯(lián)系的，也是相互依賴(lài)的，所以它們似乎是可以互相轉(zhuǎn)化的。”,加上奧斯特已發(fā)現(xiàn)了電能產(chǎn)生磁，所以法拉第堅(jiān)信：磁一定能產(chǎn)生電 經(jīng)過(guò)近10年的努力，于1831年發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象 由圖示4種方法，可見(jiàn)關(guān)鍵點(diǎn)是：產(chǎn)生感應(yīng)電流的回路都是處在一個(gè)變化的磁場(chǎng)中，一旦磁場(chǎng)變化停止，感應(yīng)電流就消失。這種現(xiàn)象稱(chēng)為電磁感應(yīng)。,二、創(chuàng)造性的科學(xué)思維磁感線與場(chǎng)概念的引入 法拉第于1831年底用鐵粉實(shí)驗(yàn)展示并提出了“磁力線” （現(xiàn)稱(chēng)磁感應(yīng)線）概念。他認(rèn)為磁感應(yīng)線顯示了在磁體周?chē)臻g是物理空間，其中存在“磁場(chǎng)”。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(chǎng)的強(qiáng)弱?！懊堋北硎?“強(qiáng)”，“稀”表示“弱”。,條形磁鐵周?chē)F屑沿磁感應(yīng)線排列,磁感應(yīng)強(qiáng)度是矢量，有大小和方向。在磁感應(yīng)線上某點(diǎn)的切線方向?yàn)樵擖c(diǎn)磁感應(yīng)強(qiáng)度方向。人們又規(guī)定磁場(chǎng)的方向是將小磁針?lè)旁谠擖c(diǎn)時(shí)，北極所指方向。,法拉第“場(chǎng)”概念的提出,奧斯特和安培的一系列實(shí)驗(yàn)工作使力學(xué)自然觀失效，需要新的思想來(lái)解釋實(shí)驗(yàn)結(jié)果。 法拉第本人在磁力線實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上又進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)，說(shuō)明在磁體周?chē)俏锢砜臻g。 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(guò)“場(chǎng)”傳遞，這種傳遞需要一定的時(shí)間。這是歷史上第一次向英國(guó)科學(xué)界普遍認(rèn)為的力的“超距作用”挑戰(zhàn)。,在1831年提出磁力線，經(jīng)過(guò)14年于1845年才逐步形成和提出了“場(chǎng)”的概念。,“場(chǎng)”概念引入的重大意義 力線和場(chǎng)的概念的提出，不僅對(duì)電磁感應(yīng)和其他一系列電磁實(shí)驗(yàn)可給以定量的物理描述，而且“場(chǎng)”的提出，表明電力和磁力是一種近距作用，即這種力是通過(guò)“場(chǎng)”進(jìn)行傳播的，不是“超距作用”。 更重要的是：“場(chǎng)”的引入是物理學(xué)中極具想象力的創(chuàng)舉，對(duì)物理學(xué)發(fā)展具有開(kāi)創(chuàng)意義。在過(guò)去人們認(rèn)為物理實(shí)在是質(zhì)點(diǎn)，牛頓研究的是質(zhì)點(diǎn)的力學(xué)運(yùn)動(dòng)規(guī)律。而在電磁學(xué)的研究中，物理實(shí)在是有連續(xù)的“場(chǎng)”來(lái)代表。法拉第和麥克斯韋研究的是“場(chǎng)”的運(yùn)動(dòng)變化規(guī)律，這是一場(chǎng)偉大的變革。,“想象力比知識(shí)更重要，因?yàn)橹R(shí)是有限的，而想象力概括著世界上的一切，推動(dòng)著進(jìn)步，并且是知識(shí)進(jìn)化的源泉?！?愛(ài)因斯坦,三、法拉第電磁感應(yīng)定律 引入感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) 比感應(yīng)電流更能反映電磁感應(yīng)現(xiàn)象的本質(zhì)，當(dāng)回路線圈的圈數(shù)為N時(shí)，電磁感應(yīng)定律為：,負(fù)號(hào)意味著 總是與磁通量變化的符號(hào)相反，說(shuō)明 的方向總是阻止磁通量變化 ，是楞次定律要求。,利用洛倫茲公式可導(dǎo)出電磁感應(yīng)定律，即兩者是自恰的。同時(shí)再通過(guò)對(duì)圖3-3-5實(shí)驗(yàn)的具體計(jì)算，證明了回路中電能是由外力所做的功轉(zhuǎn)化而來(lái)的。,電磁感應(yīng)現(xiàn)象應(yīng)用舉例 （1）麥克風(fēng),（2）發(fā)電機(jī)原理,法拉第,法拉第小故事,七、做一個(gè)“平凡的法拉第”,四、楞次定律 自感現(xiàn)象 互感現(xiàn)象 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(chǎng)阻礙引起感應(yīng)電流的磁通量的變化。,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(shí)所做的功轉(zhuǎn)變?yōu)榛芈分械碾娔堋?4.4 麥克斯韋電磁場(chǎng)理論的建立與電磁波的發(fā)現(xiàn),一、一場(chǎng)偉大的變革 “一個(gè)民族要想站在科學(xué)的高峰，就一刻也不能沒(méi)有理論思維?！?恩格斯,恩格斯,在1999年，英國(guó)廣播公司（BBC）所評(píng)選出的1000年來(lái)最偉大的10位思想家中麥克斯韋與馬克思、愛(ài)因斯坦、牛頓等人一起榜上有名，他排名第九。后由英國(guó)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(ài)因斯坦和牛頓排名第三。,麥克斯韋,麥克斯韋小故事,法拉第無(wú)疑是一位偉大的實(shí)驗(yàn)家，有豐富的想象力，但他一系列觀點(diǎn)還缺乏嚴(yán)格的數(shù)學(xué)形式，在理論上不夠嚴(yán)密。加上當(dāng)時(shí)在學(xué)術(shù)界中，“超距作用”的傳統(tǒng)觀念還很深，所以當(dāng)時(shí)學(xué)術(shù)界對(duì)法拉第學(xué)說(shuō)表示出冷漠、甚至非議。,可是年輕的麥克斯韋卻有與眾不同的眼光，他體會(huì)到了“場(chǎng)”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(yǔ)言翻譯和表述電磁場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。,“法拉第和麥克斯韋在電磁場(chǎng)方面的工作引起一場(chǎng)最偉大的革命” 愛(ài)因斯坦,二、麥克斯韋方程組的建立 麥克斯韋通過(guò)對(duì)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(chǎng)可在周?chē)ぐl(fā)磁場(chǎng)的假設(shè)，把物理與數(shù)學(xué)緊密結(jié)合, 利用類(lèi)比方法建立了描寫(xiě)電磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的麥克斯韋方程組。,麥克斯韋方程組 (對(duì)學(xué)生不要求, 只是給學(xué)生看一下) ：,從麥克斯韋方程可見(jiàn)麥克斯韋的電磁理論具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：,（1）首次綜合和發(fā)展了前人工作, 給出了一個(gè)描寫(xiě)電磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)的完美的統(tǒng)一方程。 （2）充分反映了電場(chǎng)與磁場(chǎng)以及時(shí)間空間的對(duì)稱(chēng)性。 （3）數(shù)學(xué)形式簡(jiǎn)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(gè)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(yàn)事實(shí)中找出自然界普遍的高于感性經(jīng)驗(yàn)的客觀規(guī)律來(lái), 這一點(diǎn)在伽利略的斜面實(shí)驗(yàn)中巳早有體現(xiàn)。,三、預(yù)言電磁波，實(shí)現(xiàn)第三次大綜合 由麥克斯韋方程組出發(fā)，根據(jù)交變的電場(chǎng)（或磁場(chǎng)）可在周?chē)a(chǎn)生交變磁場(chǎng)（或電場(chǎng)），預(yù)言了電磁波。 他認(rèn)為這種交變電磁場(chǎng)可不斷由振源向遠(yuǎn)處傳播開(kāi)來(lái)，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,電磁波譜大致可劃分為： 無(wú)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(zhǎng)最長(zhǎng)的一個(gè)波段。由于電磁波的輻射強(qiáng)度隨頻率的減小而急劇下降，因此波長(zhǎng)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(zhǎng)波、中波、短波、超短波和微波, 波長(zhǎng)范圍長(zhǎng)到10公里小到1mm。 紅外線 波長(zhǎng)范圍大約在0.6 mm760 nm之間的電磁波稱(chēng)為紅外線，它的波長(zhǎng)比紅光更長(zhǎng)，人眼看不見(jiàn)。它能透過(guò)濃霧或較厚大氣層而不易被吸收。紅外線雖然看不見(jiàn)，但可以通過(guò)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。, 可見(jiàn)光 可見(jiàn)光在整個(gè)電磁波譜中所占的