电磁学的发展--讲课用

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1、电磁学的发展-讲课用 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望 伽利略和牛顿所取得如此伟大成就，是因为他们把伽利略和牛顿所取得如此伟大成就，是因为他们把科学思维和实验研究很好地结合在一起，为力学的发展科学思维和实验研究很好地结合在一起，为力学的发展开辟了一条正确的道路。开辟了一条正确的道路。电学、磁学构成了经典物理学的另一重要分支。随电学、磁学构成了经典物理学的另一重要分支。随着一个个电磁学研究成果的取得，企图把全部物理学归着一个个电磁学研究成果的取得，企图

2、把全部物理学归纳为力学的机械论观点宣告彻底失败。纳为力学的机械论观点宣告彻底失败。电磁学发展史中的典型事件电磁学发展史中的典型事件历史概述历史概述 电现象和磁现象很早受人类注意，留下了许多文电现象和磁现象很早受人类注意，留下了许多文字记载。字记载。在在1717世纪前世纪前，大多数是观察和零碎的知识，大多数是观察和零碎的知识，到到1717世纪后才有一些系统的研究，而定量的研究则更世纪后才有一些系统的研究，而定量的研究则更晚。晚。1818世纪中叶世纪中叶以后，磁力和电力的平方反比定律相以后，磁力和电力的平方反比定律相继发现，静电学和静磁场开始沿牛顿力学的发展登上继发现，静电学和静磁场开始沿牛顿力学

3、的发展登上科学的舞台。科学的舞台。1818世纪末世纪末，随着电堆的发明，人们有可，随着电堆的发明，人们有可能人为地产生和控制电流。能人为地产生和控制电流。1919世纪世纪，电流的磁效应、，电流的磁效应、化学效应、热效应相继的发现，其规律得到了定量的化学效应、热效应相继的发现，其规律得到了定量的表述，电学和磁学得到了和谐统一的发展，建立了统表述，电学和磁学得到了和谐统一的发展，建立了统一的电磁理论，并证实了电磁波的存在。一的电磁理论，并证实了电磁波的存在。本讲将涉及下面一些科学家以及他们的重大发现，本讲将涉及下面一些科学家以及他们的重大发现，他们是：库仑、奥斯特、安培、法拉第和麦克斯韦等。他们是

4、：库仑、奥斯特、安培、法拉第和麦克斯韦等。库库仑仑奥奥斯斯特特安安培培法法拉拉第第麦麦克克斯斯韦韦Electricity（电）来自希腊文的（电）来自希腊文的“琥珀琥珀”。中国古代，早在公元前中国古代，早在公元前3世纪，古书世纪，古书韩非子韩非子就记载司就记载司南；南；吕氏春秋吕氏春秋记有慈石召铁。西汉末年（公元记有慈石召铁。西汉末年（公元20年）年）有玳瑁吸细小物体。有玳瑁吸细小物体。系统研究始于系统研究始于17世纪。世纪。1600年，英国医生吉伯（年，英国医生吉伯（1544-1603）发表了）发表了论磁、磁体和地球作为一个巨大的磁体论磁、磁体和地球作为一个巨大的磁体，吉伯的工作是磁学成为物理

5、学的一个分支。吉伯的工作是磁学成为物理学的一个分支。4.1 静电和静磁现象的研究静电和静磁现象的研究 一、静磁和静电现象的早期研究 中国古代的贡献：最早文字记载中国古代的贡献：最早文字记载“雷雷”、“电电”，发明，发明指南针等。指南针等。最早总结前人对电磁研究的大量经验，最早总结前人对电磁研究的大量经验，讨论电磁体性质的英国医生吉尔伯特，他讨论电磁体性质的英国医生吉尔伯特，他断言：电与磁是两种不同的现象。断言：电与磁是两种不同的现象。相比静磁现象，静电研究困难得多。相比静磁现象，静电研究困难得多。直到第一台摩擦起电机发明后，对静电直到第一台摩擦起电机发明后，对静电研究才迅速开展起来。研究才迅速

6、开展起来。吉尔伯特吉尔伯特1660年，盖里克（年，盖里克（1602-1668）发明摩擦起电机。）发明摩擦起电机。盖里克的摩擦起电机实验被许多人重复，人们纷纷仿照他盖里克的摩擦起电机实验被许多人重复，人们纷纷仿照他的方法做静电实验，的方法做静电实验，1705年豪克斯比（年豪克斯比（1666-1713）用空心）用空心玻璃球代替硫磺球，发现效果一样。玻璃球代替硫磺球，发现效果一样。1720年，格雷（年，格雷（1675-1736）研究了电的传导现象，发现导）研究了电的传导现象，发现导体和绝缘体的区别。随后，他又发现了导体的静电感应现体和绝缘体的区别。随后，他又发现了导体的静电感应现象。象。1773年杜

7、菲（年杜菲（1698-1739）经过实验区分出两种电荷，他分）经过实验区分出两种电荷，他分别为松脂电（负电）和玻璃电（正电），并总结出静电作别为松脂电（负电）和玻璃电（正电），并总结出静电作用的基本特性：同性相斥，异性相吸。用的基本特性：同性相斥，异性相吸。莱顿瓶的发明使电现象得到更深入的研究，这是克莱斯特莱顿瓶的发明使电现象得到更深入的研究，这是克莱斯特和马森布落克在和马森布落克在1745-1746年分别做出。年分别做出。二、富兰克林对雷电现象的研究二、富兰克林对雷电现象的研究1.1.富兰克林富兰克林(1706-1790):(1706-1790):美国美国人人在全家在全家1010个孩子中排行

8、个孩子中排行8 8，其父是小手工业者，家境贫困。其父是小手工业者，家境贫困。他在他在1010岁时缀学，岁时缀学，1212岁当印刷岁当印刷所学徒，阅读了许多书籍，和所学徒，阅读了许多书籍，和几个青年创办了几个青年创办了“共读社共读社”，后来成为科学家和政治家。自后来成为科学家和政治家。自己写的墓志铭己写的墓志铭:“:“印刷工富兰克印刷工富兰克林林”。从苍天那里取得了雷电，从从苍天那里取得了雷电，从暴君那里取得了民权。暴君那里取得了民权。杜杜尔格（法）尔格（法）2.2.费城实验费城实验17461746年，一位英国学者在波士顿利用玻璃管和莱年，一位英国学者在波士顿利用玻璃管和莱顿瓶表演了电学实验。富

9、兰克林怀着极大的兴趣观顿瓶表演了电学实验。富兰克林怀着极大的兴趣观看了他的表演，并被电学这一刚刚兴起的科学强烈看了他的表演，并被电学这一刚刚兴起的科学强烈地吸引住了。随后富兰克林开始了电学的研究。富地吸引住了。随后富兰克林开始了电学的研究。富兰克林在家里做了大量实验，研究了两种电荷的性兰克林在家里做了大量实验，研究了两种电荷的性能，说明了电的来源和在物质中存在的现象。在十能，说明了电的来源和在物质中存在的现象。在十八世纪以前，人们还不能正确地认识雷电到底是什八世纪以前，人们还不能正确地认识雷电到底是什么。当时人们普遍相信雷电是上帝发怒的说法。一么。当时人们普遍相信雷电是上帝发怒的说法。一些不信

10、上帝的有识之士曾试图解释雷电的起因，但些不信上帝的有识之士曾试图解释雷电的起因，但都未获成功，学术界比较流行的是认为雷电是都未获成功，学术界比较流行的是认为雷电是“气气体爆炸体爆炸”的观点。的观点。富兰克林当时已富兰克林当时已4040岁时，对电很有兴趣。其中有一岁时，对电很有兴趣。其中有一个想法，天上的电和地电是统一的吗个想法，天上的电和地电是统一的吗?他经过反复思考，断定雷电也是一种放电现象，他经过反复思考，断定雷电也是一种放电现象，它和在实验室产生的电在本质上是一样的。于是，他它和在实验室产生的电在本质上是一样的。于是，他写了一篇名叫写了一篇名叫论天空闪电和我们的电气相同论天空闪电和我们的

11、电气相同的论的论文，并送给了英国皇家学会。但富兰克林的伟大设想文，并送给了英国皇家学会。但富兰克林的伟大设想竟遭到了许多人的嘲笑，有人甚至嗤笑他是竟遭到了许多人的嘲笑，有人甚至嗤笑他是“想把上想把上帝和雷电分家的狂人帝和雷电分家的狂人”。富兰克林决心用事实来证明一切。富兰克林决心用事实来证明一切。17521752年年6 6月的月的一天一天 ，一个电闪雷鸣的上午，他将一个风筝放到空，一个电闪雷鸣的上午，他将一个风筝放到空中，风筝下有一根铁丝，铁丝下栓一根麻绳，当一道中，风筝下有一根铁丝，铁丝下栓一根麻绳，当一道闪电从风筝上掠过，富兰克林用手靠近风筝上的铁丝，闪电从风筝上掠过，富兰克林用手靠近风筝

12、上的铁丝，立即掠过一种恐怖的麻木感。立即掠过一种恐怖的麻木感。他抑制不住内心的激动，大声呼喊：他抑制不住内心的激动，大声呼喊：“威廉，我威廉，我被电击了！被电击了！”随后，他又将风筝线上的电引入莱随后，他又将风筝线上的电引入莱顾瓶中。回到家里以后，富兰克林用雷电进行了顾瓶中。回到家里以后，富兰克林用雷电进行了各种电学实验，证明了天上的雷电与人工摩擦产各种电学实验，证明了天上的雷电与人工摩擦产生的电具有完全相同的性质。富兰克林关于天上生的电具有完全相同的性质。富兰克林关于天上和人间的电是同一种东西的假说，在他自己的这和人间的电是同一种东西的假说，在他自己的这次实验中得到了光辉的证实。次实验中得到

13、了光辉的证实。富兰克林的工作，揭开了雷电的奥秘，统富兰克林的工作，揭开了雷电的奥秘，统一了一了“天电天电”和和“地电地电”，震惊了科学界。，震惊了科学界。小插曲小插曲：为了验证为了验证“地电地电”与与“天电天电”的相同处，的相同处，富兰克林想到雷可以击死动物，于是他就实验富兰克林想到雷可以击死动物，于是他就实验用用“地电地电”去击杀火鸡，结果被电打昏了。苏去击杀火鸡，结果被电打昏了。苏醒后，却不介意地说：醒后，却不介意地说：“我本想用电杀死一只我本想用电杀死一只火鸡，结果差点电死了一个傻瓜。火鸡，结果差点电死了一个傻瓜。”然而，风险是的确存在的。然而，风险是的确存在的。17531753年，俄国

14、年，俄国的里赫曼的里赫曼在做大气电实验时不幸中电身亡，为在做大气电实验时不幸中电身亡，为科学献身科学献身。3.3.发明避雷针发明避雷针:富兰克林并不满足，将他的发现富兰克林并不满足，将他的发现转化为了新的发明。避雷针诞生了。转化为了新的发明。避雷针诞生了。4.4.科学兴趣广泛科学兴趣广泛:命名了正电，负电，发现了电命名了正电，负电，发现了电荷守恒定律，研究了火炉的改良，植物的移植，荷守恒定律，研究了火炉的改良，植物的移植，传染病的防治。传染病的防治。写出了写出了电学的实验和研究电学的实验和研究的著作。的著作。5.5.富兰克林是独立宣言和美国宪法的起草人之一，富兰克林是独立宣言和美国宪法的起草人

15、之一，为祖国的独立和解放作出了贡献的政治活动家。为祖国的独立和解放作出了贡献的政治活动家。三、库仑定律 类比万有引力，科学家猜类比万有引力，科学家猜测电荷间作用力与距离平方测电荷间作用力与距离平方成反比。成反比。罗比逊实验，发现罗比逊实验，发现 罗比逊实验装置罗比逊实验装置偏差偏差 卡文迪许利用两个同心球的实验证明了上述规律，他卡文迪许利用两个同心球的实验证明了上述规律，他得到得到=0.02，可惜两人的工作都未发表。，可惜两人的工作都未发表。卡文迪许同心球实验装置卡文迪许同心球实验装置 库仑于库仑于1785年用电扭秤实验，通过与万有引力类比，年用电扭秤实验，通过与万有引力类比，确信并提出了库仑

16、定律确信并提出了库仑定律 C2/（Nm2）计算表明，库仑力远大于万有引力计算表明，库仑力远大于万有引力 三、从库仑定律的建立看，类比方法的重要性 库仑测得库仑测得=0.04，但他断定力与距离成平方反比，是成，但他断定力与距离成平方反比，是成功运用类比方法的结果。功运用类比方法的结果。麦克斯韦对类比法的论述：麦克斯韦对类比法的论述：“为了不用物理理论而得为了不用物理理论而得到物理思想，我们必须熟悉物理类比的存在。所谓物理到物理思想，我们必须熟悉物理类比的存在。所谓物理类比，我指的是一种科学定律与另一种科学定律之间的类比，我指的是一种科学定律与另一种科学定律之间的部分相似性。它使得这两种科学可以相

17、互说明。部分相似性。它使得这两种科学可以相互说明。”汤川秀树也是类比法的成功运用者，他通过将核力和汤川秀树也是类比法的成功运用者，他通过将核力和电磁力类比，成功地提出了核力的介子理论。他说：电磁力类比，成功地提出了核力的介子理论。他说：“类比是一种创造性思维的形式类比是一种创造性思维的形式，假定存在一个人所假定存在一个人所不能理解的某物，他偶尔注意到这一物和他所熟悉的另不能理解的某物，他偶尔注意到这一物和他所熟悉的另一物的相似性。他通过将两者比较就可以理解他在此刻一物的相似性。他通过将两者比较就可以理解他在此刻之前尚不能理解的某物。如果他的理解是恰当的，而且之前尚不能理解的某物。如果他的理解是

18、恰当的，而且还没有人达到这样的理解，那么可以说，他的思维确实还没有人达到这样的理解，那么可以说，他的思维确实是创造性得到。是创造性得到。”必须指出：必须指出：有时简单的类比也会导致错误的结果有时简单的类比也会导致错误的结果。如。如惠更斯类比声波，认为光波也是纵波就错了。可见类比惠更斯类比声波，认为光波也是纵波就错了。可见类比结果是否正确还得由实验检验。结果是否正确还得由实验检验。一、一、伽伐尼发现伽伐尼发现“动物电动物电”伽伐尼的研究伽伐尼的研究(1737-1798):意大利人，解剖学意大利人，解剖学教授。教授。17801780年他与学生解剖青蛙，发现电火花会使蛙年他与学生解剖青蛙，发现电火花

19、会使蛙腿抽搐，后来他又发现当用铜钩倒挂蛙腿，再用腿抽搐，后来他又发现当用铜钩倒挂蛙腿，再用铁梁横挑，蛙腿也会痉挛。铁梁横挑，蛙腿也会痉挛。17911791年发表了论文年发表了论文论肌肉运动中的电力论肌肉运动中的电力。发现电流的第一人，但认为是一种动物电。发现电流的第一人，但认为是一种动物电。4.2 电流的产生及其磁效应电流的产生及其磁效应 二、伏打（二、伏打（1737-1798）的）的“金属接触说金属接触说”1.1.伏打伏打意大利帕维大学教授，否定了伽伐尼动物说。意大利帕维大学教授，否定了伽伐尼动物说。他认为，电来自两种不同金属的接触，青蛙只不过他认为，电来自两种不同金属的接触，青蛙只不过是起

20、了验电器的作用。是起了验电器的作用。为了阐明自己的观点，他比较了各种金属，并为了阐明自己的观点，他比较了各种金属，并把它们排成表，只要将其中两种金属接触，就可以把它们排成表，只要将其中两种金属接触，就可以产生接触电势差。产生接触电势差。2.2.伏打电池伏打电池第一个第一个直流电源直流电源18001800年，伏打根据年，伏打根据他自己的观点，制成了他自己的观点，制成了伏打电池。得到了拿破伏打电池。得到了拿破仑授予的一枚金质奖章。仑授予的一枚金质奖章。并成为法国科学院的院并成为法国科学院的院士。今天电学中的一个士。今天电学中的一个重要单位重要单位伏特伏特，就是为，就是为了纪念他。了纪念他。3.3.

21、意义意义电池的发明，提供了产生恒定电流的电源，使电池的发明，提供了产生恒定电流的电源，使电学从静电走向动电，为人们研究电流的各种效应电学从静电走向动电，为人们研究电流的各种效应提供了条件。从此电学进入了飞速发展时期。提供了条件。从此电学进入了飞速发展时期。三、欧姆定律三、欧姆定律(1787-1854)(1787-1854)乔治乔治西蒙西蒙欧姆生于德国埃尔兰根城，父亲是锁欧姆生于德国埃尔兰根城，父亲是锁匠。父亲自学了数学和物理方面的知识，并教给少匠。父亲自学了数学和物理方面的知识，并教给少年时期的欧姆，唤起了欧姆对科学的兴趣。年时期的欧姆，唤起了欧姆对科学的兴趣。1616岁时岁时他进入埃尔兰根大

22、学研究数学、物理与哲学，由于他进入埃尔兰根大学研究数学、物理与哲学，由于经济困难，中途缀学，到经济困难，中途缀学，到18131813年才完成博士学业。年才完成博士学业。欧姆是一个很有天才和科学抱负的人，他长期担任欧姆是一个很有天才和科学抱负的人，他长期担任中学教师，但他在孤独与困难的环境中始终坚持不中学教师，但他在孤独与困难的环境中始终坚持不懈地进行科学研究，自己动手制作仪器，后被慕尼懈地进行科学研究，自己动手制作仪器，后被慕尼黑大学任命为教授。黑大学任命为教授。欧姆对导线中的电流进行了研究。他从傅立欧姆对导线中的电流进行了研究。他从傅立叶发现的热传导规律受到启发，导热杆中两点叶发现的热传导规

23、律受到启发，导热杆中两点间的热流正比于这两点间的温度差。因而欧姆间的热流正比于这两点间的温度差。因而欧姆认为，电流现象与此相似，猜想导线中两点之认为，电流现象与此相似，猜想导线中两点之间的电流也许正比于它们之间的某种驱动力，间的电流也许正比于它们之间的某种驱动力，即现在所称的电动势。通过实验验证，在即现在所称的电动势。通过实验验证，在18261826年发现了欧姆定律，由此与电流相关的物理量年发现了欧姆定律，由此与电流相关的物理量可以测定和推出。可以测定和推出。人们为纪念他，将电阻的单位定为人们为纪念他，将电阻的单位定为“欧姆欧姆”。欧姆定律发现初期，许多物理学家不能正确理欧姆定律发现初期，许多

24、物理学家不能正确理解和评价这一发现，并遭到怀疑和尖锐的批评。解和评价这一发现，并遭到怀疑和尖锐的批评。研究成果被忽视，经济极其困难，使欧姆精神研究成果被忽视，经济极其困难，使欧姆精神抑郁。直到抑郁。直到18411841年英国皇家学会授予他最高荣年英国皇家学会授予他最高荣誉的科普利金牌，才引起德国科学界的重视。誉的科普利金牌，才引起德国科学界的重视。四、奥斯特发现电流磁效应四、奥斯特发现电流磁效应 丹麦著名的物理学家奥斯特丹麦著名的物理学家奥斯特(1777-1851)(1777-1851)发发现了电流的磁效应。电流磁效应的发现并不是现了电流的磁效应。电流磁效应的发现并不是人们所认为的是他的偶遇，

25、他早就有把自然界人们所认为的是他的偶遇，他早就有把自然界中各种现象相互联系的思想。中各种现象相互联系的思想。18031803年他就说过，年他就说过，我们物理学将不再是运动、热、空气、光、电、我们物理学将不再是运动、热、空气、光、电、磁以及我们所知道的任何其他现象的零碎罗列，磁以及我们所知道的任何其他现象的零碎罗列，而我们将把整个世界容纳在一个体系中。奥斯而我们将把整个世界容纳在一个体系中。奥斯特正是以这样的观点出发，来探索电和磁之间特正是以这样的观点出发，来探索电和磁之间的联系，这是他发现电流磁效应的思想基础。的联系，这是他发现电流磁效应的思想基础。奥斯特基于奥斯特基于:（1 1）自然哲学思想

26、自然哲学思想 受康哲学思想影响受康哲学思想影响,认为认为自然自然界界各种基本力可以各种基本力可以相互转化相互转化。（2 2）已发现一些电可能会发生磁的迹象。）已发现一些电可能会发生磁的迹象。坚信电磁间有联系，并开展电是否能产坚信电磁间有联系，并开展电是否能产 生磁的研究。生磁的研究。法国著名生物学家巴斯德在讲述奥斯特的发现时，法国著名生物学家巴斯德在讲述奥斯特的发现时，说过一句名言：说过一句名言：“在观察领域的一切机遇只偏爱有那些准备的头脑。在观察领域的一切机遇只偏爱有那些准备的头脑。”讨论：这句名言已在社会上被广泛使用。讨论：这句名言已在社会上被广泛使用。奥斯持奥斯持18121812年年:“

27、:“我们应该检验的是，究竟电是否以其我们应该检验的是，究竟电是否以其最隐蔽的方式对磁体有类似的作用。最隐蔽的方式对磁体有类似的作用。”1818-18191818-1819年，与奥共事的人说年，与奥共事的人说:“:“奥斯特经常奥斯特经常在寻找这两种大自然力之间的关系。在寻找这两种大自然力之间的关系。”机会来了，机会来了，18201820年年4 4月的一天晚上，奥斯特在讲月的一天晚上，奥斯特在讲课中突然出现了一个想法，讲课快结束时，他说：课中突然出现了一个想法，讲课快结束时，他说：“让我把导线与磁针平行放置来试试看。让我把导线与磁针平行放置来试试看。”当他当他接通电源时，发现小磁针微微动了一下。这

28、一现接通电源时，发现小磁针微微动了一下。这一现象使奥斯特又惊又喜，他紧紧抓住这一现象，连象使奥斯特又惊又喜，他紧紧抓住这一现象，连续进行了续进行了3 3个月的实验研究，终于在个月的实验研究，终于在18201820年年7 7月月2121日发表了题为日发表了题为关于磁针上的电流碰撞的实验关于磁针上的电流碰撞的实验的论文。这篇仅用了的论文。这篇仅用了4 4页纸的论文，是一篇极其简页纸的论文，是一篇极其简洁的实验报告。洁的实验报告。奥斯特在报告中讲述了他的实验装置和多个实奥斯特在报告中讲述了他的实验装置和多个实验的结果，从实验总结得出：电流的作用仅存验的结果，从实验总结得出：电流的作用仅存在于载流导线

29、的周围；沿着螺纹方向垂直于导在于载流导线的周围；沿着螺纹方向垂直于导线；电流对磁针的作用可以穿过各种不同的介线；电流对磁针的作用可以穿过各种不同的介质；作用的强弱决定于介质，也决定于导线到质；作用的强弱决定于介质，也决定于导线到磁针的距离和电流的强弱；铜和其他一些材料磁针的距离和电流的强弱；铜和其他一些材料做的针不受电流作用；通电的环形导体相当于做的针不受电流作用；通电的环形导体相当于一个磁针，具有两个磁极等。这篇短短的论文一个磁针，具有两个磁极等。这篇短短的论文使欧洲物理学界产生了极大震动，导致了大批使欧洲物理学界产生了极大震动，导致了大批实验成果的出现，由此开辟了物理学的新领域实验成果的出

30、现，由此开辟了物理学的新领域电磁学电磁学 一次演讲中，奥斯特偶然发现导线通电时，在它的一次演讲中，奥斯特偶然发现导线通电时，在它的下方的小磁针有一微小晃动。他抓住了这个现象，经过下方的小磁针有一微小晃动。他抓住了这个现象，经过3 3个月的反复实验，发现了电流磁效应。揭开了研究电与个月的反复实验，发现了电流磁效应。揭开了研究电与磁内在联系的序幕。磁内在联系的序幕。在此实验中，磁针受到了一个旋转力，在此实验中，磁针受到了一个旋转力，力学自然观对力学自然观对此无法解释。此无法解释。三、安培对电流磁效应的深入研究 安培从磁体与磁体、电流与磁体相互作用，联想并安培从磁体与磁体、电流与磁体相互作用，联想并

31、发现了通电导线之间有相互作用。并进一步发现了通电发现了通电导线之间有相互作用。并进一步发现了通电螺线管与条形磁铁的等效性。螺线管与条形磁铁的等效性。安培实验安培实验进一步使力学自然观失效，并为法拉第提进一步使力学自然观失效，并为法拉第提出出“场场”的概念打下了实验基础的概念打下了实验基础。安培安培载流直导线相互作用载流直导线相互作用 载流螺线管与条形磁铁等效载流螺线管与条形磁铁等效 安培也通过理论研究，提出了计算两载流回路之间的安培也通过理论研究，提出了计算两载流回路之间的相互作用力的方法。对于作用在长为相互作用力的方法。对于作用在长为l 两载流直导线上的两载流直导线上的力为力为 其中其中 和

32、和 是两导线中的电流，是两导线中的电流，d为两平行导线间的距离，为两平行导线间的距离，在国际单位制中，常量在国际单位制中，常量 为真空磁导率，为真空磁导率，由此安培提出了著名的由此安培提出了著名的“磁性起源假说磁性起源假说”：物质磁：物质磁性来自于内部有电流，并可解释物体可被磁化的现象及性来自于内部有电流，并可解释物体可被磁化的现象及磁体被分割后仍有磁体被分割后仍有N、S极性现象。此假说，直到极性现象。此假说，直到19世纪世纪知道了原子结构和物质结构的秘密，才真正知道这是知道了原子结构和物质结构的秘密，才真正知道这是“分子电流分子电流”。4.3 4.3 电磁感应定律电磁感应定律 一、电磁感应现

33、象的发现 法拉第的自然哲学思想：他与奥斯特一样，坚信自然力法拉第的自然哲学思想：他与奥斯特一样，坚信自然力的的“统一性统一性”，并追求这种统一性。他在实验记录中有，并追求这种统一性。他在实验记录中有这样一段话：这样一段话：“长期以来，我就持有一种观点，长期以来，我就持有一种观点，几乎是几乎是一种信仰，一种信仰，我相信其他许多爱好自然知识的人也会共同我相信其他许多爱好自然知识的人也会共同有的，就是物质的力表现出来时具有某种形态，都有一有的，就是物质的力表现出来时具有某种形态，都有一个共同的根源，或者换句话说，个共同的根源，或者换句话说，它们是相互直接联系的，它们是相互直接联系的，也是相互依赖的，

34、所以它们似乎是可以互相转化的也是相互依赖的，所以它们似乎是可以互相转化的。”加上奥斯特已发现了电能产生磁，所以法拉第坚信：加上奥斯特已发现了电能产生磁，所以法拉第坚信：磁一定能产生电磁一定能产生电 经过近经过近1010年的努力，于年的努力，于18311831年发现了电磁感应现象年发现了电磁感应现象 由图示由图示4 4种方法，可见关键点是：产生感应电流的回路种方法，可见关键点是：产生感应电流的回路都是处在一个都是处在一个变化的磁场变化的磁场中，一旦磁场变化停止，感应中，一旦磁场变化停止，感应电流就消失。这种现象称为电磁感应。电流就消失。这种现象称为电磁感应。二、创造性的科学思维磁感线与场概念的引

35、入 法拉第于法拉第于18311831年底用铁粉实验展示并提出了年底用铁粉实验展示并提出了“磁力线磁力线”（现称磁感应线）概念。他认为磁感应线显示了在磁体周（现称磁感应线）概念。他认为磁感应线显示了在磁体周围空间是物理空间，其中存在围空间是物理空间，其中存在“磁场磁场”。利用磁感应线在。利用磁感应线在空间分布的疏密程度可以直观地描述磁场的强弱。空间分布的疏密程度可以直观地描述磁场的强弱。“密密”表示表示 “强强”，“稀稀”表示表示“弱弱”。条形磁铁周围铁屑沿磁感应线排列条形磁铁周围铁屑沿磁感应线排列 磁感应强度是矢量，有大小和方向。在磁感应线上某磁感应强度是矢量，有大小和方向。在磁感应线上某点的

36、切线方向为该点磁感应强度方向。人们又规定磁场点的切线方向为该点磁感应强度方向。人们又规定磁场的方向是将小磁针放在该点时，北极所指方向。的方向是将小磁针放在该点时，北极所指方向。法拉第法拉第“场场”概念的提出概念的提出奥斯特和安培的一系列实验工作使力学自然观失效，奥斯特和安培的一系列实验工作使力学自然观失效，需要新的思想来解释实验结果。需要新的思想来解释实验结果。法拉第本人在磁力线实验基础上又进行了一系列实验，法拉第本人在磁力线实验基础上又进行了一系列实验，说明在磁体周围是物理空间。说明在磁体周围是物理空间。法拉第不赞成电磁体之间相互作用是法拉第不赞成电磁体之间相互作用是“超距作用超距作用”，而

37、应是而应是“近距作用近距作用”，是通过，是通过“场场”传递，这种传递传递，这种传递需要一定的时间。这是历史上第一次向英国科学界普需要一定的时间。这是历史上第一次向英国科学界普遍认为的力的遍认为的力的“超距作用超距作用”挑战。挑战。在在18311831年提出磁力线，经过年提出磁力线，经过1414年于年于18451845年才逐步形年才逐步形成和提出了成和提出了“场场”的概念的概念。“场场”概念引入的重大意义概念引入的重大意义 力线和场的概念的提出，不仅对电磁感应和其他一系列电力线和场的概念的提出，不仅对电磁感应和其他一系列电磁实验可给以磁实验可给以定量的物理描述定量的物理描述，而且，而且“场场”的

38、提出，表明电的提出，表明电力和磁力是一种力和磁力是一种近距作用近距作用，即这种力是通过，即这种力是通过“场场”进行传播进行传播的，不是的，不是“超距作用超距作用”。更重要的是：更重要的是：“场场”的引入是物理学中极具想象力的创举，的引入是物理学中极具想象力的创举，对物理学发展具有开创意义。在过去人们认为物理实在是质对物理学发展具有开创意义。在过去人们认为物理实在是质点，牛顿研究的是质点的力学运动规律。而在电磁学的研究点，牛顿研究的是质点的力学运动规律。而在电磁学的研究中，物理实在是有连续的中，物理实在是有连续的“场场”来代表。法拉第和麦克斯韦来代表。法拉第和麦克斯韦研究的是研究的是“场场”的运

39、动变化规律，这是一场伟大的变革。的运动变化规律，这是一场伟大的变革。“想象力比知识更重要，因为知识是有限的，而想想象力比知识更重要，因为知识是有限的，而想象力概括着世界上的一切，推动着进步，并且是知识进象力概括着世界上的一切，推动着进步，并且是知识进化的源泉。化的源泉。”爱因斯坦爱因斯坦 三、法拉第电磁感应定律 引入感应电动势引入感应电动势 比感应电流更能反映电磁感应现象的比感应电流更能反映电磁感应现象的本质，当回路线圈的圈数为本质，当回路线圈的圈数为N时，电磁感应定律为：时，电磁感应定律为：负号意味着负号意味着 总是与磁通量变化的符号相反，说明总是与磁通量变化的符号相反，说明 的的方向总是阻

40、止磁通量变化方向总是阻止磁通量变化，是楞次定律要求。，是楞次定律要求。利用洛伦兹公式可导出电磁感应定律，即两者是自恰的。利用洛伦兹公式可导出电磁感应定律，即两者是自恰的。同时再通过对图同时再通过对图3-3-5实验的具体计算，证明了回路中电能是实验的具体计算，证明了回路中电能是由外力所做的功转化而来的。由外力所做的功转化而来的。电磁感应现象电磁感应现象应用举例应用举例（1 1）麦克风）麦克风 （2）发电机原理）发电机原理 法拉第法拉第法拉第小故事法拉第小故事七、做一个“平凡的法拉第”四、楞次定律 自感现象自感现象 互感现象互感现象 楞次定律是判断感应电流方向的法则：闭合回路中产楞次定律是判断感应

41、电流方向的法则：闭合回路中产生的感应电流方向，总是使由此感应电流所产生的磁场生的感应电流方向，总是使由此感应电流所产生的磁场阻碍引起感应电流的磁通量的变化。阻碍引起感应电流的磁通量的变化。楞次定律是能量守恒定律在电磁感应现象中的具体表现楞次定律是能量守恒定律在电磁感应现象中的具体表现插入和抽出磁铁时所做的功转变为回路中的电能。插入和抽出磁铁时所做的功转变为回路中的电能。4.4 4.4 麦克斯韦电磁场理论的建立与麦克斯韦电磁场理论的建立与电磁波的发现电磁波的发现 一、一场伟大的变革 “一个民族要想站在科学一个民族要想站在科学的高峰，就一刻也不能没有的高峰，就一刻也不能没有理论思维。理论思维。”恩

42、格斯恩格斯 恩格斯恩格斯 在在1999年，英国广播公司年，英国广播公司（BBC）所评选出的）所评选出的1000年来年来最伟大的最伟大的10位思想家中麦克斯位思想家中麦克斯韦与马克思、爱因斯坦、牛顿韦与马克思、爱因斯坦、牛顿等人一起榜上有名，他排名第等人一起榜上有名，他排名第九。后由英国杂志九。后由英国杂志物理世界物理世界在在100位著名物理学家中选出位著名物理学家中选出的的10位最伟大者中，麦克斯韦位最伟大者中，麦克斯韦紧跟爱因斯坦和牛顿排名第三。紧跟爱因斯坦和牛顿排名第三。麦克斯韦麦克斯韦麦克斯韦小故事麦克斯韦小故事 法拉第无疑是一位伟大的实验家，有丰富的想象力，法拉第无疑是一位伟大的实验家

43、，有丰富的想象力，但他一系列观点还缺乏严格的数学形式，在理论上不够但他一系列观点还缺乏严格的数学形式，在理论上不够严密。加上当时在学术界中，严密。加上当时在学术界中，“超距作用超距作用”的传统观念的传统观念还很深，所以当时学术界对法拉第学说表示出冷漠、甚还很深，所以当时学术界对法拉第学说表示出冷漠、甚至非议。至非议。可是年轻的麦克斯韦却有与众不同的眼光，他体会可是年轻的麦克斯韦却有与众不同的眼光，他体会到了到了“场场”的引入的革命性意义。他被法拉第的成果所的引入的革命性意义。他被法拉第的成果所吸引。在吸引。在1856年以后，他致力于用数学语言翻译和表述年以后，他致力于用数学语言翻译和表述电磁场

44、的运动规律。电磁场的运动规律。“法拉第和麦克斯韦在电磁场方面的工作引起一场最法拉第和麦克斯韦在电磁场方面的工作引起一场最伟大的革命伟大的革命”爱因斯坦爱因斯坦 二、麦克斯韦方程组的建立 麦克斯韦通过对前人的发现和成果加以总结和升华以及麦克斯韦通过对前人的发现和成果加以总结和升华以及结合结合位移电流位移电流概念的引入，概念的引入，创造性地提出了变化电场可在周创造性地提出了变化电场可在周围激发磁场的假设围激发磁场的假设，把物理与数学紧密结合，把物理与数学紧密结合,利用类比方法利用类比方法建立了描写电磁场运动规律的麦克斯韦方程组。建立了描写电磁场运动规律的麦克斯韦方程组。麦克斯韦方程组麦克斯韦方程组

45、(对学生不要求对学生不要求,只是给学生看一下只是给学生看一下)：从麦克斯韦方程可见麦克斯韦的电磁理论具有以下几从麦克斯韦方程可见麦克斯韦的电磁理论具有以下几个特点：个特点：（1）首次综合和发展了前人工作首次综合和发展了前人工作,给出了一个给出了一个描写描写电电磁磁场场运动的运动的完美的统一完美的统一方程。方程。（2）充分反映了电场与磁场以及时间空间的对称性。）充分反映了电场与磁场以及时间空间的对称性。（3）数学形式简单优美）数学形式简单优美,充分体现了充分体现了物理学的物理学的美美以以及数学及数学的重要性的重要性 不仅是一个表述工具不仅是一个表述工具,更重要的是更重要的是科学家正是利用数学方法

46、从庞杂的经验事实中找出自然科学家正是利用数学方法从庞杂的经验事实中找出自然界普遍的高于感性经验的客观规律来界普遍的高于感性经验的客观规律来,这一点在伽利略的这一点在伽利略的斜面实验中巳早有体现斜面实验中巳早有体现。三、预言电磁波，实现第三次大综合 由麦克斯韦方程组出发，根据交变的电场（或磁场）由麦克斯韦方程组出发，根据交变的电场（或磁场）可在周围产生交变磁场（或电场），预言了电磁波。可在周围产生交变磁场（或电场），预言了电磁波。他认为这种交变电磁场可不断由振源向远处传播开来，他认为这种交变电磁场可不断由振源向远处传播开来，电磁振荡在空间的传播就形成了电磁波。电磁振荡在空间的传播就形成了电磁波。

47、麦克斯韦还推导出了电磁波在真空中的传播速度为麦克斯韦还推导出了电磁波在真空中的传播速度为 并由此推断光就是电磁波。并由此推断光就是电磁波。电电磁磁波波谱谱 电磁波谱大致可划分为：电磁波谱大致可划分为：无线电波无线电波 一般一般由天线上的电磁振荡发射出去由天线上的电磁振荡发射出去，它是电磁波谱中，它是电磁波谱中波长最长的一个波段。由于电磁波的辐射强度随频率的减波长最长的一个波段。由于电磁波的辐射强度随频率的减小而急剧下降，因此波长为几百公里的低频电磁波通常不小而急剧下降，因此波长为几百公里的低频电磁波通常不为人们注意。通常使用的包括长波、中波、短波、超短波为人们注意。通常使用的包括长波、中波、短

48、波、超短波和微波和微波,波波长长范围长到范围长到1010公里公里小到小到1mm1mm。红外线红外线 波长范围大约在波长范围大约在0.6 mm0.6 mm760 nm760 nm之间的电磁波称为红之间的电磁波称为红外线，它的波长比红光更长，人眼看不见。它能透过浓雾外线，它的波长比红光更长，人眼看不见。它能透过浓雾或较厚大气层而不易被吸收。红外线虽然看不见，但可以或较厚大气层而不易被吸收。红外线虽然看不见，但可以通过特制的透镜成像。根据这些性质可制成红外夜视仪，通过特制的透镜成像。根据这些性质可制成红外夜视仪，在夜间观察物体。在夜间观察物体。可见光可见光 可见光在整个电磁波谱中所占的波段最窄，其波

49、长范围可见光在整个电磁波谱中所占的波段最窄，其波长范围在在760nm760nm400nm400nm之间。这些电磁波能使人眼产生光的感觉，之间。这些电磁波能使人眼产生光的感觉，所以称为光波。可见光的不同频率决定了人眼感觉到的不同所以称为光波。可见光的不同频率决定了人眼感觉到的不同颜色，白光则是由各种颜色的可见光颜色，白光则是由各种颜色的可见光红、橙、黄、绿、红、橙、黄、绿、青、蓝、紫，按一定光强比例混合而成，称为复色光。青、蓝、紫，按一定光强比例混合而成，称为复色光。紫外线紫外线 波长范围在波长范围在400nm400nm5nm5nm之间的电磁波称为紫外线之间的电磁波称为紫外线（ultraviol

50、etultraviolet），它比可见光的紫光波长更短，人眼也看不），它比可见光的紫光波长更短，人眼也看不见。由于紫外线的能量与一般化学反应所涉及的能量大小相见。由于紫外线的能量与一般化学反应所涉及的能量大小相当，因此它有明显的化学效应和荧光效应，也有较强的杀菌当，因此它有明显的化学效应和荧光效应，也有较强的杀菌本领。本领。无论是红外线、可见光或紫外线，它们都是由原子的外无论是红外线、可见光或紫外线，它们都是由原子的外层电子受激发后产生的。层电子受激发后产生的。X X射线射线 伦琴在伦琴在18591859年发现了年发现了X X射线。它的波长比紫外线更短，射线。它的波长比紫外线更短，它是它是由原

51、子中的内层电子受激发后产生的由原子中的内层电子受激发后产生的，其波长范围在，其波长范围在0.04 0.04 5 nm5 nm之间。之间。X X射线具有很强的穿透能力，在医疗上射线具有很强的穿透能力，在医疗上用于透视和病理检查；在工业上用于检查金属材料内部的用于透视和病理检查；在工业上用于检查金属材料内部的缺陷和分析晶体结构等。缺陷和分析晶体结构等。射线射线 这是一种比这是一种比X X射线波长更短的电磁波，它来自于宇宙射射线波长更短的电磁波，它来自于宇宙射线或由线或由处于激发态的原子核以及处于激发态的原子核以及某些放射性某些放射性核核素在衰变过素在衰变过程中辐射射出来，其波长范围在程中辐射射出来

52、，其波长范围在 0.04nm0.04nm 以下，以至更短。以下，以至更短。它的穿透力比它的穿透力比X X射线更强，对生物的破坏力很大。除了用射线更强，对生物的破坏力很大。除了用于金属探伤外，还可用于了解原子核的结构。于金属探伤外，还可用于了解原子核的结构。赫兹实验赫兹实验 深刻、完美、新颖的麦克斯韦方程组于深刻、完美、新颖的麦克斯韦方程组于1964年提出，年提出，但开始并不被人们接受。直到但开始并不被人们接受。直到1888年，赫兹用实验证明了年，赫兹用实验证明了电磁波的存在，并证明了电磁波不仅传播速度和光速一样，电磁波的存在，并证明了电磁波不仅传播速度和光速一样，而且有类似光的特性（反射、折射

53、、衍射、偏振等）。从而且有类似光的特性（反射、折射、衍射、偏振等）。从此麦克斯韦方程组才被世人公认。此麦克斯韦方程组才被世人公认。第三次大综合第三次大综合 麦克斯韦不仅将电学与磁学完全统一起来，而且又将麦克斯韦不仅将电学与磁学完全统一起来，而且又将他们与光学统一起来，实现了物理学史上继牛顿力学建立他们与光学统一起来，实现了物理学史上继牛顿力学建立和能量守恒提出以来的和能量守恒提出以来的第三次大综合。第三次大综合。麦克斯韦的贡献不仅在于科学理论本身，而且为后人提麦克斯韦的贡献不仅在于科学理论本身，而且为后人提供了丰富的科学思想和研究方法。值得指出的是，他是英供了丰富的科学思想和研究方法。值得指出的是，他是英国科学史上第一位创建和领导了在现代科学革命起先锋作国科学史上第一位创建和领导了在现代科学革命起先锋作用的卡文迪许实验室，并为该实验室立下了方针、政策和用的卡文迪许实验室，并为该实验室立下了方针、政策和宗旨，指导实验室培养了无数科学人才，取得了大量杰出宗旨，指导实验室培养了无数科学人才，取得了大量杰出成果。成果。卡文迪许实验室卡文迪许实验室