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1、第三节：经典物理学的全面发展,力学的建立光学的进展热学的成就电磁学的建立,0,概述,光的类型,自然光,人造光,光的定义解释,光是一种既具有波动特性，又具有粒子特性的特殊物质。,概述,干涉,衍射,偏振,概述,光的波动性,光的粒子性,概述,能量,质量,动量,概述,光的反射,光的折射,萌芽期,光学的起源在中国可追溯到远古时代的春秋战国之际，墨翟及其弟子所著墨经中，记载着关于光的直线传播和光在镜面上的反射等现象，并提出了一系列经验规律。,墨翟（公元前468-376年）,小孔成像,铜镜,光学发展历程的回顾,光学的起源在西方可追溯到希腊的欧几里德，他在其著作光学一书中提出光线的直线传播理论，并研究了平面镜
2、成像问题，指出反射角等于入射角的反射定律。,（公元前330-275年）,光的直线传播,镜像反射,光学发展历程的回顾,中国：古代的实用科学缺乏严谨的实验证明、理论说明和科学表达，大多为经验性的描述，导致中国在未来光学领域的发展极为缓慢。西方：在生产和社会需要的推动下，在光的反射和透镜的应用方面，逐渐有了些成果。15世纪末和16世纪初，凹面镜、凸面镜、眼镜、透镜以及暗箱和幻灯等光学元件已相继出现。,凹、凸面镜,凹、凸透镜,暗箱,光学发展历程的回顾,几何光学时期是光学发展的转折点，系统研究了光现象和光学仪器，建立了直线传播定律、反射定律、折射定律；提出了费马原理、光程、光强、颜色等概念，并观察了棱镜
3、光谱等较复杂的光现象。,几何光学时期,光学发展历程的回顾,李普赛（公元1587-1619年）,伽利略（公元1564-1642年）,望远镜,荷兰李普塞在1608年发明了第一架望远镜。1610年伽利略用自己制造的望远镜观察星体，发现了绕木星运行的卫星，这给哥白尼关于地球绕日运转的日心说提供了强有力的证据。,光学发展历程的回顾,冯特纳（公元1580-1656）,十七世纪初延森和冯特纳最早制造了复合显微镜。,光学发展历程的回顾,费马（公元1601-1665年）,折射和反射定律,1657年费马首先指出光在介质中传播时时所走路程取极值的原理，并根据这个原理推出光的反射定律和折射定律。,光学发展历程的回顾,
4、牛顿（公元1643-1727年）,牛顿(1665年)利用色散实验证实了白光是由一些彼此独立的彩色光所组成。,光学发展历程的回顾,波动光学时期建立了光的波动理论，圆满解释了光的干涉、衍射和偏振现象；通过迈克尔逊干涉仪否定了“以太”的存在；提出并证实了光的本质就是电磁波。,波动光学时期,光学发展历程的回顾,光的波动理论的创始人，提出了“光是以太中传播的波动”理论和次波假设（惠更斯原理），并解释了反射、折射定律和双折射现象。,惠更斯（公元1629-1695 年）,惠更斯原理,光学发展历程的回顾,1801年，杨氏最先利用干涉原理解释了白光下的薄膜颜色，设计并完成了著名的杨氏双缝干涉实验，并第一次成功地
5、测定了光的波长。提出了光是横波的假设。,杨氏（公元1773-1829）,薄膜干涉,双缝干涉,光学发展历程的回顾,1865年，麦克斯韦尔建立期完整的经典电磁理论，指出光是一种电磁波，产生光的电磁理论。该理论一直到廿余年后由赫兹的实验所证实。,赫兹（公元1857-1894年）,麦克斯韦尔（公元1831-1879年）,光学发展历程的回顾,1887年，迈克尔逊和莫雷一起以近乎完美的条件进行了干涉实验，通过测量两束光的形成的干涉条纹数目和移动，证实了光速的不变性及以太是不存在的，为爱因斯坦狭义相对论的提出奠定了基础。,迈克尔逊（公元1852-1931年）,迈克尔逊.莫雷实验,光学发展历程的回顾,二、热学
6、的成就,2.1热的本质在十八世纪，随着人们对燃烧现象认识的深入，对热现象也开始试图给予解释。当时对热的本性存在两种见解：一种认为热是一种物质；另一种认为热是物质分子的微小运动。拉瓦锡在1789年的初等化学概论中把热物质当做一种元素引入，称之为热素或热质（calorique）。,热质说,拉瓦锡认为：存在着一种极易流动的物质实体充满分子之间的空间，这种实体具有扩大分子之间距离的作用。这种物质实体热质，根据其状态分为两类：自由的热质和结合的热质。结合的热质被物体中的分子所束缚，形成其实质的一部分；自由热质没有处于任何结合状态，能够从一个物体转移到另一个物体，成为各种热现象的载体。,热机：从技术到理论
7、,蒸汽机的广泛使用促进了工业革命、缩短了旅行时间、加快了商品流通。但是蒸汽机的改进只是靠技术上的摸索取得，到十九世纪初还没有一个关于蒸汽机的一般理论。这一局面因卡诺于1824年出版关于火的动力及其适于产生这种动力的发动机之考察一书而改变。,Sadi Nicolas Lonard Carnot,卡诺(1796-1832)出身于法国望族。1814年卡诺毕业于法国综合工科学校后到工兵部队服役，1820年退役后专心从事物理学理论研究。他的父亲是拿破仑一世政府要人；弟弟是一位持自由观点的政治家；一位侄子是法兰西第三共和国总统。,热机的效率,瓦特致力于提高蒸汽机的效率。但是经过改进的蒸汽机效率仍然很低。燃
8、料所产生的热能的93%-95%都被浪费掉。卡诺对热机的做功效率也非常感兴趣。他想了解这种效率究竟可以提高到多少。卡诺从他的应用力学家父亲那里学会了对一个循环过程进行考察的必要性。他把热机对外做功和做完功返回原状的过程结合起来考虑。,永动机,热质守恒,卡诺在关于火的动力一书中是立足于热质说来考察热机效率的。他的工作基础就是热质守恒。卡诺认为，热从高温物体向低温物体移动时，必然能够产生动力。因此不伴随动力产生的热流动是一种损失。温度不同的物体接触时就会产生这种损失。想要获得热机的最高效率，就要尽量避免这种损失。,卡诺循环：理想热机,卡诺进一步设想了没有任何损失的理想热机。他考察了由带活塞的汽缸中气
9、体所产生的等温膨胀（系统从环境中吸收热量）、绝热膨胀（系统对环境中作功）、等温压缩（系统向环境中放出热量）、绝热压缩（系统恢复原来状态，对环境作负功）四个过程组成的循环，后来命名为卡诺循环。,热力学的奠基人,卡诺最先定量地研究了热和功相互转化的方式，因此他被称作热力学的奠基人。他的方程表明最大效率只与最高温度和最低温度有关，与中间过程、工作介质无关。卡诺如果能继续研究下去，很可能由此得出热力学第二定律（熵增加定理）。而且卡诺后来还放弃了热质说，转而认为热是一种运动。但是不幸的是他在36岁就死于霍乱。,热动说,伦福德(1753-1814)纠正了热是一种无质流体的说法。伦福德出身于美国，后到欧洲慕
10、尼黑管理一个兵工厂，他发现当钻削制造炮筒的青铜坯料时，金属坯料烫得象火一样。当时传统的解释是，当金属被切削成刨花时，热质就从金属中逸出。但是伦福德注意到，只要镗钻不停止，金属就不停地发热。,热质,伦福德在慕尼黑管理一个兵工厂，他发现当钻削制造炮筒的青铜坯料时，金属坯料烫得象火一样。当时传统的解释是，当金属被切削成刨花时，热质就从金属中逸出。但是伦福德注意到，只要镗钻不停止，金属就不停地发热。,机械运动转化为热,伦福德得出结论，是镗具的机械运动转化为热。1798年伦福德向皇家学会报告了他在慕尼黑的实验。他还试图给出一定量的机械运动所能产生的热量，这是首次给出了热功当量的数值。不过他的数值偏高。1
11、799年伦福德回到英国，当选为皇家学会会员。1804年到巴黎定居，娶了拉瓦锡的遗孀并就热质说与已故的拉瓦锡作对。,热运动说的处境,伦福德的报告引起巨大反响，对热运动说有人支持也有人反对。热质说的统治地位一时还难以动摇。当时以热质守恒这一基本原理为基础，热学正稳步地积累着实验资料，并不断带来新的理论。相反，热运动论缺乏定量的实验基础，没有提出数学化的理论。必须等到能量守恒定律的确立，才能从更为广阔的观点来理解热和运动的相互转化。,2.2能量守恒定律的发现,能量守恒定律提出的背景(1)由于十八世纪以来物理学前沿的扩大，形形色色的物理现象之间的转化过程被陆续发现，引起人们注意。(2)十八世纪下半叶在
12、德国产生一种对机械论自然观的不满，萌发一种活力论。这种活力论在十九世纪初发展成为自然哲学：把整个宇宙看做是由某种根源性的力所引起的历史发展的产物。自然界的各种力，电、磁、光、热、化学亲和力等等东西归根结底是同一种东西。,2.2能量守恒定律的发现,德国人迈尔（1814-1878）作为随船医生在1840年去爪哇的航行中，由于考虑动物热的问题，迈尔对物理学产生兴趣，多次著文阐述能量守恒的信念。1841年他完成关于无机界各种力的意见一文，被一家物理学杂志退稿后，第二年发表在了李比希主编的化学和药学年鉴上。但是他的工作几乎没有引起人们注意。,2.2能量守恒定律的发现,英国的焦耳擅长实验。他对所有他想得到
13、的有热量产生过程进行热测量。1840年他得出：电流产生的热量与电流强度的平方和电阻的乘积成正比焦耳最后测量出做的功和产生的热的关系为：41,450,000尔格的功产生1卡的热量。为了纪念焦耳的工作，后来规定一千万尔格的功定义为一焦耳。现在的热功当量数值为4.18焦耳/卡。,1845年，焦耳为测定机械功和热之间的转换关系，设计了“热功当量实验仪”，并反复改进，反复实验。1849年发表论热功当量。1878年发表热功当量的新测定，最后得到的数值为423.85公斤米/千卡。焦耳测热功当量用了四十多年，实验了400多次，付出大量的辛勤劳动。,成果无处发表,当时人们没有认识到焦耳工作的意义。各种学术刊物和
14、皇家学会都拒绝发表他的文章。1847年焦耳获得在英国科学促进会年会上宣读他的论文的机会，当时几乎没有听众，只有一位23岁的年青人威廉汤姆森，即后来的开尔文勋爵对他的报告感兴趣。汤姆森对焦耳的成果作了十分精辟的评价，终于引起人们的注意。1849年在法拉第亲自主持下，焦耳在皇家学会宣读了他的论文，他的成果终于获得完全承认。焦耳的工作为热力学第一、第二定律的得出奠定了实验基础。,能量守恒定律的发现,对能量守恒，迈尔展开了大胆思辨，焦耳进行了扎实的实验，而德国生理学家和物理学家赫姆霍兹（1821-1894）则立足于力学基础之上，追求各种能量转换过程的数学表述。最终被确认为能量守恒定律的确立者。,论“力
15、”的守恒,1847年赫姆霍兹独立完成论“力”的守恒一文，并于7月23日在柏林物理学会的年会上宣读1854年赫姆霍兹在自然力的相互作用一文中指出，“自然作为一个整体，是力的储存库，它不能以任何方法增加或减少。所以自然界中力的数量正象物质的数量一样永存和不变。我曾将这个普遍的定律命名为力的守恒原理”。这里明确表达了能量转化和守恒的思想。以1850-1851年间克劳修斯和汤姆森奠定热力学基础的工作为转机，能量守恒定律才获得普遍承认。,意义,能量守恒与转化定律被认为是物理学的“最高定律”（法拉第），“宇宙的普遍的基本定律”（克劳修斯），恩格斯则称之为19世纪三大发现之一。该定律的发现标志着近代物理学第
16、二次理论大综合。,2.3热力学第一、第二定律的建立,热力学第一定律的建立热功当量的发现揭示了热和机械功之间存在着内在的定量关系。焦耳的实验一方面证明了热和机械功的作用效果是等价的，另一方面也证明了绝热过程的功与过程进行的方式无关。在焦耳工作的基础上，克劳修斯和开尔文各自深入研究了热功转化的机制和规律性问题，分别获得了热力学第一定律的各自表述。,第一定律的克劳修斯表述,1850年4月克劳修斯在物理和化学年鉴上发表了论热的动力和可由此推导热学本身的定律提出热力学第一定律表述：“在一切热做功的情况中，产生的功与消耗的热量成比例。反之，通过消耗同样大小的功，将能产生同样数量的热量。”,第一定律的开尔文
17、表述,1851年开尔文发表以焦耳先生的单位热当量导出的大量结果和雷诺对蒸气的观察论热的动力学理论一文，提出了热力学第一定律的开尔文说法：“物质系必须以热的形式或以机械功的形式，给出同它得到的同样多的能量”。这里开尔文首次把能量一词引入到了热力学中，该表述也被称为热力学第一定律的能量表述。,热力学第二定律的建立,热力学第一定律是关于孤立热力学系统从热源是否吸收热量和内能与外功之间转化守恒关系的规律，它并不涉及不同温度的两个热源之间的热量传递。然而卡诺热机理论表明，为了从热产生动力，需要有高温物体和低温物体。热机的实践也证明，热机存在着普遍的热耗散现象，总有一些热譬如磨擦热不能复返做功。事实上卡诺
18、的理想热机循环在实际中是不能实现的。对此，需要有一个新的普遍规律对这种普遍现象加以说明。,第二定律的克氏表述,在1854年物理和化学年鉴上发表的论机械热理论第二基本定律的一个改变形式一文中，克劳修斯给出了通常所说的热力学第二定律的“克氏表述”：“热不可能由冷体传到热体，如果不因而同时引起其他关系的变化。”,1834年，克拉珀龙（1799-1864）把卡诺的思想几何化为由两个等温过程和两个绝热过程组成的卡诺循环，用几何的方法来计算功，提出了由功和吸热之比来测量效率。绝对温标的提出 1848年，W.汤姆孙（开尔文）提出绝对温标，是卡诺热动力理论的直接结果。T=t+273.3这就是绝对温标和摄氏温标
19、的关系。1887年，绝对温标得到了世界的公认。,三 熵1.熵的概念：1854年，克劳修斯进一步指出，虽然热机在循环过程中Q1Q2，但热量Q与热源温度T之比值是一定的，即Q1/T1=Q2/T2。称为“熵”，用符号S=Q/T表示。通常我们考虑的是系统在变化过程中熵的变化。对于一微小状态变化，一般取熵变为dS=dQ/T.,2.熵的物理意义：1877年，一生致力于用统计力学研究热运动的玻尔兹曼指出：熵是分子无序的量度，熵与无序度W（即某一宏观态对应的微观态数，即宏观态出现的几率）之间的关系式为：S=klnW。S上式称为玻尔兹曼关系式，k=1.3810-23J/K称为玻尔兹曼常数。,3.熵增加原理：18
20、65年，克劳修斯指出：“对于任何一个封闭系统在一个循环过程中出现的所有熵的代数和，必须为正或在极限情况下等于零。”这就是熵增加原理。,熵增加原理揭示了自然过程的不可逆性，或者说运动的转化对于时间、方向的不对称性。自然系统中发生的一切自然过程总是沿着熵增加的方向进行。,4.熵增加原理的意义：熵是从运动不能转化的一面去量度运动转化的能力，它表示着运动转化已经完成的程度，或者说是运动丧失转化能力的程度。在没有外界作用的情况下，一个系统的熵越大，就越接近于平衡状态，系统的能量也就越来越不能供利用了。,熵（entropy）举例,用20元人民币在市场公平轻易购得一袋大米，而这袋大米却不能在市场上轻易地换成
21、20元。封闭容器中原被限制在某一局部的气体分子一旦限制取消，分子将自由地充满整个容器，但却不能自发地再回缩到某个局部。瓷瓶落地成碎片，而碎片却不能自发回复成瓷瓶。生米煮成熟饭，熟饭却不能凉干成生米。,“宇宙热寂说”,1867年在法兰克福举行的第41届德国自然科学家和医生联合会议上，克劳修斯他把整个宇宙看做一个孤立的绝热系统，然后把热力学第一定律和第二定律应用于整个宇宙，得出：(1)宇宙的总能量是一个常数；(2)宇宙的熵趋向某一个极大值。这就是后来引起很多争议的“宇宙热寂说”的正式提出。,第二类永动机不存在,在1856年的论动力的起源和转变中，开尔文把热力学第二定律和制造一种自动机联系起来，提出
22、：不借助外部动因将热从一物体传递到另一高温物体来制成一个自动机，是不可能的。这种自动机也称为永动机，后来人们把违反热力学第一定律的永动机称作第一类永动机，违反热力学第二定律的永动机称作第二类永动机。热力学第二定律也等价地被表述为：第二类永动机是不存在的。,热力学第三定律,热力学第三定律的建立与低温现象的研究直接相关，1848年汤姆逊提出绝对零度可能是温度下限的观点，1906年德国人斯特提出任何物体都不可能冷却到绝对零度。,热力学第三定律,它是热力学的又一条基本规律，它不能由任何其他物理学定律得出，只能看作由实验事实作出的经验总结。当时的背景：气体的液化和低温的获得。18世纪末，荷兰人马伦第一次
23、用高压压缩的方法得到液态的氨；1823年法拉第在研究氯化物的性质时得到液态的氯。1826年，他使许多气体的液化。1893年1月20日，杜瓦（1842-1923）宣布发明了一种特殊的低温恒温器-后来叫杜瓦瓶。1898年他实现了氢的液化，达到20.4K。后来又得到固态氢，达到12K。,到了19世纪下半期，随着低温技术的发展，低温物理学提出了一些新问题，即物体继续冷却下去会出现一些什么新的性质？温度是否可以无限降低？1912年，德国物理学家能斯特（1864-1941）进一步提出“绝对零度是不可能达到的”热力学第三定律。,2.4 分子运动论的发展,古代的分子运动论 分子运动论是热学的一种微观理论.它基
24、于以下两个基本概念：物质是大量分子和原子组成的；热现象是这些分子做无规则运动的一种表现。这些概念起源很早，2000多年前的中国和希腊,都有人提出物质由原子组成的假说。认为万物是由原子组成，不同的原子组成了世界上不同的物质,而原子在不停的运动着。德莫克里特（公元前460-前371）：认为物质皆由各种不同微粒组成。虽然这些概念只是哲学上的主张，但对后来的分子运动论的发展起了启示和指引的作用。,一、早期的动理论 在17世纪和18世纪,出现了一些比古代原子论进一步的但还只是定性的分子运动论假说。1658年，伽森第以分子运动论的观点解释了物质的气、液、固三态的区别；1678年胡克又以气体分子不断碰撞器壁
25、的结果，解释了产生气体压强的来由。,1738年，瑞士物理学家伯努利在他的液体动力学一书中，发展了这种假说，从分子运动论的角度出发，也同样得出气体压强与所占体积成反比的玻意耳定律，并且指出，这个定律在必须考虑分子本身所占体积的情况下，需要加以修正。俄国学者罗蒙诺索夫在1746和1748年的两篇论文里，发表了自己的见解。他始终坚持热的根源在于运动。并在讨论气体的性质时，提出气体分子运动的无规则性，还肯定了运动守恒在热现象中的正确性。,19世纪上半叶，动理论续有进展，值得一提的有以下几位：1.英国的赫拉帕斯，在1816年向英国的皇家学会提出自己的分子动理论。他明确提出温度决定于分子速度的思想。但权威
26、们认为他的思想过于遐想。2.苏格兰的瓦特斯顿，在1846年提出混合气体中不同比重的气体，所有分子的MV2的平均值应该相同。这大概是能量均分定理的最早提法。3.焦耳在1847-1848年发表过两篇动理论的演讲。他提出了热是分子运动的动能和分子间相互作用的能量。,二、动理论的复活 能量守恒和转化定律建立之后，彻底否定了热质说。热质说衰落后，动理论取而代之，于是就创造了一个对动理论复活很有利的形势。德国的化学家克里尼希（1822-1879），他激发了克劳修斯和麦克斯韦进一步发展这个理论。克劳修斯和麦克斯韦是动理论的真正奠基人。,三、克劳修斯的理想气体分子模型1857年发表论热运动的类型的文章，以十分
27、明晰和清楚的方式发展了气体分子运动论的基本思想，推导出理想气体的压强公式。他的出发点是：（1）分子所占的空间对于气体本身所占有的空间来说必须是无限小。（2）改变两个分子的运动的碰撞过程所经历的时间，比起两次碰撞所经历的时间间隔来说必须是无限小。（3）分子力的影响必须是无限小。他还引入了一个新的概念-统计的概念，并借用统计处理的方法解释气体压强的产生。,他用分子的速率在各个方向相等这一简化了的统计法推导出压强公式 P=1/3mnv2 他另外的一个贡献是引入了气体分子平均自由程的概念。平均自由程的引入，为分子运动论提供了一个重要的物理量，他给出了分子在连续两次碰撞间所走过的路程的长短，从而更好地描
28、绘气体分子的运动图象。*解释气体分子速度大而扩散速度小的现象。,一、麦克斯韦速率分布 麦克斯韦（1831-1879）发现气体分子速度分布律对动理论和统计力学的发展具有里程碑的意义。他在1859年开始进行研究，当时28岁，已经是国王学院教授。受克劳修斯论文的启示，他认为可以用概率理论对动理论进行全面的论证。他从分子乱运动的解释得出结论：气体分子的大量碰撞不是导致象某些科学家所期望的使分子速度平均，而是呈现一定的速度分布，所有速度都以一定概率出现。,第四节、统计物理学的创建,1860年，麦克斯韦从理论上，导出了气体的速率分布律，同时得出了气体分子的速率分布函数的表达式为 式中，m是一个分子质量，T
29、是气体的热力学温度，k是玻尔兹曼常量。,1860年，麦克斯韦把速度分布规律发表在气体动力论的说明里，由此找到了由微观量求统计平均值的更切实的途径，为气体分子运动论奠定了基础。他还应用速率分布率，对气体分子平均自由程进行了再一次计算，推导出现在被人们所公认的值。,二、玻尔兹曼分布 玻尔兹曼（1844-1906），奥地利著名的物理学家，曾是斯特藩的学生和助教。1876年任维也纳物理研究所所长，是统计物理学的创始人之一。1866年从维也纳大学毕业，开始研究动理论。1868年发表运动质点活力平衡的研究的论文。他明确指出，研究动理论必须引进统计学。并证明麦克斯韦分布的正确性。1871年连续发表论文，论多
30、原子的热平衡、热平衡的某些理论，文中他研究了分子在,重力场中的平衡分布。他不满足于推导出气体在平衡态下的分布律，他接着证明了气体（原来不处于平衡）总要趋于平衡态的趋势。1872年，他发表论文，提出了著名的H定理。1877年，他进一步研究了热力学第二定律的统计解释。“热力学第二定律是关于概率的定律，所以它的结论不能靠一条动力学方程来检验的”,三、统计系综和吉布斯的工作 系综概念的提出和运用标志着动理论发展到了统计力学的新阶段。系综是一个虚构的抽象概念，代表了大量性质相同的力学体系的集合，每个体系处于相互独立的运动中。玻尔兹曼和麦克斯韦统计的思想，后来在吉布斯（1839-1903）的工作中得到了发
31、展。美国耶鲁大学教授。吉布斯把大量分子当作一个力学体系，不做任何假设，他把整个系统当成统计的对象，求体系处在各相空间的概率分布，用统计规律求相应的宏观量。,在克劳修斯、麦克斯韦、玻尔兹曼研究的基础上，吉布斯提出：“热力学的发现基础建立在力学的一个分支上”，吉布斯由此建立了统计力学。1902年发表了统计力学的基本理论，建立了完整的“系综理论”。,四、电磁学的建立,4.1从静电到动电的研究：18世纪静电学研究最重要的成就是美国富兰克林提出的关于单电流体的一元论，并用著名风筝实验加以证明；18世纪末电学从静电研究向流电研究发展，意大利伽伐尼发现动物电流、伏打在电堆实验和发现原电池的基础上提出了接触理
32、论。,首先对电和磁现象进行系统实验研究的是英国的威廉吉尔伯特（William Gilbert，15441603）。他认识到电力和磁力是性质不同的两种力。他第一个将琥珀和毛皮摩擦后吸引轻小物体的性质叫做“电”。1600年，吉尔伯特发表了论磁、磁体和地球作为一个巨大的磁体（De magnete，magneticisque corporibus et de magnomag nete tellure，简称磁石论）。他总结了前人对磁的研究，周密地讨论了地磁的性质，记载了大量实验，使磁学从经验转变为科学。书中他也记载了电学方面的研究。,(一)吉尔伯特与,（二）莱顿瓶的发明,1720年，格雷(S.Gray
33、，16751736)研究了电的传导现象，发现导体与绝缘体的区别。随后，他又发现导体的静电感应现象。,1734年法国人杜菲（Charles-Francois du Fay，16961739）在实验中发现带电的玻璃和带电的琥珀是相互吸引的，但是两块带电的琥珀或者两块带电的玻璃则是相互排斥的。杜菲根据大量的实验事实断定电有两种：一种是与琥珀带的电性质相同，叫做“琥珀电”；一种是与玻璃带的电性质相同，叫做“玻璃电”。,1745年普鲁士（德国的前身）的一位副主教克莱斯特(Ewald Georg von Kleist，1700-1748)在实验中利用导线将摩擦所起的电引向装有铁钉的玻璃瓶。当他用手触及铁钉
34、时，受到猛烈的一击，他由此发现了放电现象。,法国人诺莱特在巴黎进行的莱顿瓶表演（法国国王路易十五及皇室成员临场观看）,（三）富兰克林及其电荷守恒定律,富兰克林还认为摩擦只能使电液从一个物体转移到另一个物体上，即“电不是摩擦玻璃管而 产生的，而只是从摩擦者转移到了玻璃管，摩擦者失去的电与玻璃管获得的电严格相同”。这就告诉人们，在任一绝缘体系中电的总量是不变的，这就是通常所说的电荷守恒原理。,富兰克林所做的另一项重大贡献是统一了天电和地电。当时的欧洲和美国的大多数人认为雷电是“上帝之火”，是天神发怒的结果。为破除这种迷信，富兰克林通过亲自进行大量的实验，证明了雷电的电与摩擦电本质上是一样的。彻底破
35、除了人们对雷电的恐惧、迷信心理。富兰克林据此提出了制造避雷针的设想，使建筑物免遭雷击。,（四）伽伐尼电流的发现,1780年，意大利科学家伽伐尼（Luigi Galvani,17371798)在一次解剖青蛙时有一个偶然的发现，一只已解剖的青蛙放在一个潮湿的铁案上，当解剖刀无意中触及蛙腿上外露的神经时，死蛙的腿猛烈地抽搐了一下。伽伐尼立即重复了这个实验，又观察到同样的现象。,他以严谨的科学态度，选择各种不同的金属，例如铜和铁或铜和银，接在一起，而把另两端分别与死蛙的肌肉和神经接触，青蛙就会不停地屈伸抽动。如果用玻璃、橡胶、松香、干木头等代替金属，就不会发生这样的现象。他认为这是一种生物电现象，并于
36、1791年发表了题为关于电对肌肉运动的作用的论文。,1791年意大利物理学家亚历山德罗 伏打(Alessandro Volta，17451827)得知伽伐尼的这一发现，引起了他的极大兴趣，作了一系列实验，甚至还在自己身上做实验。他用两种金属接成一根弯杆，一端放在嘴里，另一端和眼睛接触，在接触的瞬间就有光亮的感觉产生。他用舌头舔着一枚金币和一枚银币，然后用导线把硬币连接起来，就在连接的瞬间，舌头有发麻的感觉。这些实验证明：电不仅能够产生颤动，而且还会影响视觉和味觉神经。,1793年伏打发表一篇论文，总结了自己的实验，不同意伽伐尼关于动物生电的观点。伏打在伽伐尼实险的基础上，致力研究两种不同金属的
37、接触。他得出了新的结论，认为两金属不仅仅是导体，而且是由它们产生电流的。用伏打自己的话来说：金属是真正的电流激发者，而神经是被动的。伏打并把这种电流命名为“金属的”或“接触的”电流。他为了尊重伽伐尼的最先发现权，把这种电流称为“伽伐尼电流”。,伏打发现当金属浸入某些液体时，也会发生同样的电流效应。伏打开始是用几只碗盛了盐水，把几对黄铜和锌做成的电极连接起来，就有电流产生。1800年3月20日，伏打宣布了一个重要的发现，这就是著名的“伏打电池”（左图）。他用30块、40块、60块或更多的铜片（最好是用银片），每一片都和一块锡片（最好是锌片）接触，并且用相同数目的水层或比纯水更好些的导电液体层，好
38、食盐水或碱水等，或是浸透这些液体的纸壳或皮革。银片和锌片是两种不同的金属，盐水或其他导电溶液作为电解液，它们构成了电流回路。这是一种比较原始的电池，是由很多银锌电池连接而成的电池组。,伏打（Alessandro Volta,17451827）意大利物理学家。1745年2月18日生于科莫。学生时代就会对自然科学有浓厚兴趣。17741779年任科莫大学预科物理学教授。17791815年任帕多瓦大学哲学系主任。1819年退休后回到故乡科莫。1827年3月5日在该地逝世。,（五）伏打电堆的发明,库仑定律的建立,库仑（Charlse-Augustin de Coulomb 17361806年）是法国工程
39、师和物理学家。青少年时期，库仑受过良好的教育。离开学校后，库仑当过军事工程队的工程师，对材料的性质、物体上应力和应变的计算十分在行。,1781年库仑研究了摩擦定律，研究了丝线和金属丝的扭转，确立了弹性扭转的定律。根据这些成果，1784年库仑制成了测量力的仪器-扭秤。1785年，他借助扭秤在实验上确立了静电学基本定律即库仑定律：两电荷之间的作用力与其距离的平方成反比，和两者所带电量的乘积成正比。,4.2奥斯特的发现,1819年丹麦物理学家奥斯特（Oersted,Hans，1777-1851)在一次课堂实验中发现：让一个罗盘靠近通电导线，罗盘指针发生转动，指向与电流方向成直角的方向。这次实验是电与
40、磁之间的联系的第一次实验演示。1820年奥斯特发表这个实验之后，引起了爆炸性的反响。,4.3 法拉第的电磁学研究,法拉第（Michael Faraday 1791-1867）是一名铁匠的儿子。早年做装订工学徒（1805年），使他有机会接触许多书，常翻大英百科全书中的电学文章和拉瓦锡的化学教程等。,戴维的助手、实验天才,1813年22岁的法拉第成为戴维的助手，任务是刷洗瓶子。实验室里的法拉第渐渐表现出他的天分，甚至远远超出了值得戴维提携的程度。比如法拉第能熟练制备三氯化氮气体，而戴维则不那么熟练，一次还让它爆炸了，几乎因此而失明。,让磁力产生电流？,法拉第在1821年就设计了一个实验装置，把电力
41、和磁力间的作用转化成了连续的机械运动。但这个装置充其量只不过是一个科学玩具。奥斯特让电流产生了磁力，法拉第所想的是怎样倒过来让磁力产生电流。,读不到电流,实验经过了许多曲折和戏剧性的过程。他用安培(Ampre,Andr 1775-1836)发明的线圈来产生磁场，希望这个磁场能对第二个线圈产生影响。第一个线圈固然产生了稳定的磁场，但是在 第二个线圈中读不到电流。,没有轻易放过的现象,在多次无效的尝试之后，一次在关闭第一线圈的电流的一刹那，第二线圈的电流计指针颤动了一下。据说十年前安培就发现过这个现象，但是这个现象不合于他的理论，就对之未加考虑。但法拉第没有轻易放过这一现象。,电磁感应,经过反复实
42、验，法拉第发现只有在打开和关闭第一线圈的电流时，第二线圈内才产生一股瞬时的电流。这就是感应电流的发现。这种现象被称作电磁感应，是后来一切电动能源的基础。,磁力线,法拉第直观地用磁力线来描述磁体周围的磁场，并用铁屑来演示磁力线的排列。他认为这种力线是很实在的东西，比原子更为实在。感应电流只有当磁力线切割导线时才产生。,磁感应发电机,一旦证明磁能产生电，法拉第接下来的工作是要用磁场来产生连续的电流。不久他就造出了世界上第一台磁感应发电机。要生产出完全实用的发电机还需要许多辅助设备。而发明这些辅助设备花了人类半个多世纪。最终的发电机与法拉第的最初模型看起来毫不相同，但基本工作原理是一样的。,法拉第对
43、各项试验作了总结，向英国皇家学会报告说：产生感应电流的情况可以分为五类：1变化中的电流；2变化中的磁场；3运动的稳恒电流；4运动中的磁铁；5在磁场中运动的导体。,法拉第对电磁学的贡献不仅是发现了电磁感应，他还发现了光磁效应（也叫法拉第效应）、电解定律和物质的抗磁性。他在大量实验的基础上创建了力线思想和场的概念，为麦克斯韦电磁场理论奠定了基础。,4.4麦克斯韦的数学升华,法拉第借助于巧妙的实验和直观的图像，成功地用力线模型解释了电磁现象。但是由于他是自学成才，不熟悉数学，因此不可能给他的理论给以数学表示。是数学天才麦克斯韦完成了这项工作，并且补充了更多的内容，从而奠定了电磁场理论的基础。,麦克斯
44、韦,麦克斯韦（James Clerk Maxwell 1831-1879）出生于苏格兰望族，是家中的独子。他从小就有数学方面的天分，但是被同学们称为傻瓜。十五岁时他把如何绘制卵形线的方法写成论文送到皇家学会宣读。1850年进剑桥大学。,论法拉第的力线,麦克斯韦接受开尔文的忠告，通读了法拉第的论文集电学实验研究，他认识到关键在于在少数简单的观念的基础上把其中交错混乱的电磁学解释明白。1856年2月他发表了电磁学的第一篇论文论法拉第的力线，文章的目标首先放在用数学表示法拉第的见解上。,论物理的力线,1862年麦克斯韦发表了电磁学的第二篇论文论物理的力线。这篇文章超越了法拉第，取得了新的成果，从而巩
45、固了电磁理论的基础。在该文中麦克斯韦论述了传递电作用的媒质具有什么样的结构，在媒质中产生什么样的张力和运动，怎样表示观测到的电磁现象等问题。,磁力管,按照法拉第的思想，整个空间都充满了由磁力线构成的磁力管，各磁力管都具有横向扩展和纵向收缩的性质。好比旋转着的液体，由于收到离心力的作用，相对转轴横向扩展，在纵向收缩。麦克斯韦设想，磁力管内充满以太，而且都在作旋转运动，整个空间就被这样的以太漩涡充满。,麦克斯韦的“机械”电磁场模型,但是这样挤得满满的以太漩涡自身不能很好地同时在同一方向旋转，因此麦克斯韦设想各漩涡之间夹有像滚珠轴承那样的粒子。在这样的模型中，磁场强度相当于漩涡的角速度；电场强度相当
46、于漩涡发生形变时所产生的弹性力；电流强度相当于滚珠轴承粒子的流动。,位移电流,在第二篇论文中麦克斯韦引进了位移电流的概念：即由轴承粒子的位移产生的电流。从位移电流概念出发能导出重要的结论。麦克斯韦计算了媒质中电粒子振动的传播速度几乎等于当时测得的真空中的光速。于是麦克斯韦大胆作出结论：光和引起电磁现象的情形一样，是以太的横向振动。,电磁场的动力学理论,麦克斯韦在1864年发表了第三篇电磁学论文，对他的理论进行了重新构造。给出了现在叫做麦克斯韦方程组的电磁场偏微分方程组。在这篇论文里麦克斯韦首次把自己的理论称为电磁场理论。麦克斯韦的电磁场理论是想通过具有力学特征的媒质状态的变化来理解电磁作用。,
47、电磁通论,1873年麦克斯韦发表了他的电磁理论集大成之作电磁通论。他在该书的第一章中写道：这本书的立场是把带电体之间所观测到的力学作用作为由媒质的力学状态引起的来研究。在麦克斯韦看来，所谓电磁场就是以太的某种力学状态。,麦克斯韦的理论表明：,电与磁不能孤立地存在，哪里有电，哪里就有磁；哪里有磁，哪里就有电。电粒子的振荡产生电磁场，电磁场由振源以固定的速度c向外辐射电磁波。麦克斯韦进一步预言光由电粒子振荡产生，所以也是一种电磁辐射。电粒子可以以任何速度振荡，所以应该有一整套的电磁辐射，可见光只不过是其中的一部分。,意义,麦克斯韦电磁理论作为宏观电磁学的完整理论，第一次揭示了光、电、磁的统一性，是
48、近代以来物理学第三次理论大综合，标志着经典物理学已发展到巅峰。,麦克斯韦速率分布函数,麦克斯韦,预言的证实,他的预言在不久的将来（1888）得到了证实，但是麦克斯韦因为患有癌症，不到五十岁（1879）就去世了。如果他有正常人的寿数，是能够活着看到自己的一个一个科学预言被证实。,他作出的比他知道的还要好,然而他也会看到他为了解释电磁波在空间传播而精心构建的以太理论被证明是不必要的。他的电磁场方程组不依赖他对以太的解释。麦克斯韦去世后二十多年，爱因斯坦几乎推翻了整个“经典物理学”，而麦克斯韦方程组仍保持不变，同过去一样仍旧适用。,思考题,1.怎样看待光的微粒说与光的波动说之争？2.热力学第二定律的
49、涵义是什么？该定律在自然观上有何意义？3.如何理解电磁学的建立在物理学史和技术史上的地位和作用？,1、有时候读书是一种巧妙地避开思考的方法。23.3.1823.3.18Saturday,March 18,20232、阅读一切好书如同和过去最杰出的人谈话。14:42:5414:42:5414:423/18/2023 2:42:54 PM3、越是没有本领的就越加自命不凡。23.3.1814:42:5414:42Mar-2318-Mar-234、越是无能的人，越喜欢挑剔别人的错儿。14:42:5414:42:5414:42Saturday,March 18,20235、知人者智，自知者明。胜人者有力
50、，自胜者强。23.3.1823.3.1814:42:5414:42:54March 18,20236、意志坚强的人能把世界放在手中像泥块一样任意揉捏。2023年3月18日星期六下午2时42分54秒14:42:5423.3.187、最具挑战性的挑战莫过于提升自我。2023年3月下午2时42分23.3.1814:42March 18,20238、业余生活要有意义，不要越轨。2023年3月18日星期六2时42分54秒14:42:5418 March 20239、一个人即使已登上顶峰，也仍要自强不息。下午2时42分54秒下午2时42分14:42:5423.3.1810、你要做多大的事情，就该承受多大的
