赫兹验证电磁波的过程.doc

赫兹与赫兹实验一、生平简介赫兹（HeinrichRudolfHertz）是德国物理学家1857年2月22日生于汉堡青年时代的赫兹，在数学、科学和手艺方面的才能出众1877年他进入慕尼黑大学学习工程不久，赫兹又转学到柏林大学，在著名学者亥姆霍兹（HermannLudwigFerdinandvonHelmholtz，18211894年）的指导下，由一个实验者变成了一位学者，后来又当上了亥姆霍兹的助手1879年8月赫兹在柏林大学求学时，用实验鉴定了电惯量，因此获得一枚金质奖章1880年他在柏林大学毕业1883年到基尔大学当教师1885年被聘为卡尔斯鲁厄高等技术学院物理教授，在那里他用实验验证了电磁波的存在1887年发现了光电效应的最早迹象1889年在波恩大学当物理教授赫兹很早就对阴极射线的研究很感兴趣，他在1891年就发现了阴极射线可以象光透过透明物质一样，穿透某些金属薄片1894年1月1日赫兹在波恩逝世，年仅三十七岁二、历史背景1865年前后，英国物理学家麦克斯韦（JamesClerkMaxwell，18311879年）系统总结了电学和磁学的新成就，提出著名的电磁场理论在这个理论中，他预言了电磁波的存在，并预见到光也是一种电磁波这是物理学史上一次惊人的预言，也是牛顿之后最伟大的发现，电磁理论的大厦终于建成麦克斯韦的电磁场理论具有划时代的意义但是因为没有人能够证明电磁波的存在，所以，当时绝大多数物理学家甚至物理学界的著名学者，都持怀疑、否定的态度，他们都用“科学不是游戏”这句话表达对麦克斯韦的怀疑但也有一些有见识的物理学家支持麦克斯韦的电磁理论，亥姆霍兹就是其中之一非常幸运的是赫兹在读大学时，就成了亥姆霍兹最欣赏的高材生1879年冬，德国柏林科学院根据亥姆霍兹的倡议，颁布了一项科学竞赛奖，以重金向当时科学界征求对麦克斯韦部分理论的证明亥姆霍兹当然希望自己的高足赫兹能够应征参加竞赛亥姆霍兹对赫兹说：“这是一个很困难的问题，也许是本世纪最大的一个物理难题你应该闯一闯！”赫兹欣然接受导师的建议从此，麦克斯韦的电磁理论一直盘旋在赫兹的脑海之中，但从哪儿下手呢？亥姆霍兹还告诉他说：“关键在于找到电磁波！不然你就证明永远找不到它”在导师的指导和鼓励下，年青的赫兹萌发了进行这种实验的雄心壮志三、赫兹实验作为一位世界知名的物理学家，赫兹的最大贡献是用实验证实了电磁波的存在1885年赫兹用一种现在叫做感应圈的仪器进行实验感应圈有初级和次级两个线圈，彼此绝缘，如果给初级线圈输入一个脉冲电流，次级线圈便有电火花发生赫兹想到这可能是电磁共振过程并且断定，次级线圈中的电火花，是因为初级线圈发生电磁振荡，次级线圈受到感应的结果从1886年10月25日起赫兹集中力量对“电火花实验”进行一系列的研究他设计了如图所示的一种电磁波发生器（直线型开放振荡器），这种振荡器是在两根长12英寸的铜棒上各焊一个磨光的黄铜球，另一端各安一块边长16英寸的正方形锌块，两根铜棒放在同一直线上，两球之间留一空隙，将它们连到感应圈的次级线圈两端当充电到一定程度间隙被火花击穿，两段金属杆连成一条导电通路，这时它相当于一个振荡偶极子，在其中激起高频的振荡（在赫兹实验中振荡频率约为108109周）感应圈以每秒10102周的频率一次一次地使火花间隙充电但是由于能量不断辐射出去而损失，每次放电后引起的高频振荡衰减很快因此所产生的是一种间歇性的阻尼振荡（如图2）赫兹把这装置称为“振荡偶极子”为了探测由振荡偶极子（电磁波发生器）发射出来的电磁波，赫兹还将一根粗铜导线弯成一圆环形，在环的开口端各焊上一黄铜球，两球间的距离还可以利用螺旋作微小调节，这种装置他称为“共振偶极子”，作为检波器，如果麦克斯韦电磁场理论是正确的，那么振荡偶极子产生的交变电磁场就会在空间产生新的电磁场，也就是在空间出现电磁波，在离此振荡偶极子一定距离的地方用共振偶极子检测到这种变化的电磁场，不就证明了电磁波的存在吗？赫兹沿着这条思路继续实验下去他把这个检波器放到离电磁波发生器附近，按赫兹猜想，当电磁波发生器通电后，检波器铜丝圈两端的铜球上会因共振而产生电火花。但是实验进行得很不顺利由于他开始用的电波的波长太长，而且在室内进行，虽竭尽全力想消除室内不利的影响，但仍毫无结果有一段时间，他甚至误入歧途，得出了与麦克斯韦理论相矛盾的结论无数次失败并没有动摇赫兹的信心他几乎是整日整夜地沉浸在实验之中这期间他的艰苦可以从他写的一封信中看出：“无论从时间上还是从性质上，我都象一个工人在工厂里那样工作，我上千次地重复每一个单调的动作，一个挨一个地钻孔、弯扁铁，接下来还要把它们涂上漆”1887年的一天，赫兹给振荡偶极子输入高压脉冲电流，象往常一样，在暗室中凝视共振偶极子铜环两个小铜球之间微小的空隙突然，空隙中迸发出一个微弱的火花他的助手高兴地喊出来：“有了，有火花了！”赫兹把铜环移到与发生器相距一定距离并适当地选择其方位时，他们看到电火花在两个铜球之间不断地跳跃这样，赫兹在实验中初次观察到电磁振荡在空间传播1887年11月5日他将这一成果总结成论文论在绝缘体中电过程引起的感应现象，寄给了亥姆霍兹，论文中用实验证明了麦克斯韦的电磁场理论。亥姆霍兹一口气读完了论文，非常高兴地立即写信给他的得意门生：“手稿收到。好！星期四手稿交付排印。”仅过3 天，赫兹就收到了老师的这封复信。谁也没有料想到，赫兹竟用如此简单的自制仪器验证了麦克斯韦如此深奥的电磁场理论，赫兹的论文出色地解答了1879年亥姆霍兹提出的悬赏难题，由此荣获柏林学院的科学奖。从此，电磁波的存在得到了确认，再也没有人怀疑了。下一步就要测定电磁波的速率赫兹在暗室的墙上覆盖一块锌板，用来反射电磁波当入射波和反射波迭加后将产生驻波，他用共振偶极子在离发生器不同距离的地方来测驻波火花较亮的地方，就是波峰或波谷；完全没有火花的地方，是波峰与波谷之间的零值据此，赫兹量出驻波的波长，并计算了振荡偶极子的振荡火花频率，两者相乘即得电磁波的速率计算出来的数值和麦克斯韦预料的完全相同，电磁波的速率等于光速赫兹在1888年成功地做了这一实验赫兹接着还进行了关于电磁波的反射、聚焦、折射、衍射、干涉、偏振等多种实验，这样赫兹就完成了电磁波和光波具有同一性的实验验证赫兹的实验公布后，立即引起了全世界科学家的瞩目谁也没有想到，用这样简单的仪器竟验证了麦克斯韦的高深理论，任何怀疑的人都可以亲自动手进行证实赫兹的