素材富兰克林与他的电学

1、富兰克林与他的电学、富兰克林生平简介吉兰克林“他从天空抓到雷电，从专制统治者手中夺回权力A- RJ 杜尔哥这是法国著名学者杜尔哥对富兰克林的高度评价。富兰克林是18世纪美国伟大的科学家，著名的政治家、文学家和实业家。1706年出生在波士顿的一个小商家 庭，他的祖籍是英格兰人。1682年，他的祖父和欧洲的第一批移民一道来到北美， 富兰克林是他父亲17个孩子中的第15个。由于家境贫寒，只读了两年小学的富 兰克林被迫辍学，到他哥哥经营的印刷所里当学徒， 从此他再也没有进过正规学 校。但他从小就酷爱读书，利用印刷所的便利条件，经常通宵达旦、如饥似渴地 刻苦读书。他阅读的范围很广，从自然科学、技术方面的

2、通俗读物到著名科学家 的论文以及政治家、名作家的文章等，他都认真阅读，仔细钻研。1723年，他离开了波士顿，先后到费城的基未尔印刷所和英国伦敦的帕尔未和瓦茨印刷厂当工 人。1726年秋，富兰克林回到费城，这时他已掌握了精湛的印刷技术并办起了自 己的印刷所。1727年。他和几个青年创办了 “共读社”。 为了读书的方便，还办 起了一个小型图书馆。“共读社”每周五晚上，讨论有关哲学、政治和自然科学 等有关问题。在富兰克林领导下，“共读社”存在达40年之久，后来发展成为美国科学思想的中心。1731年，他创办了费城图书馆，他常说：“读书是我唯一 的娱乐。我从不把时间浪费于酒店、赌博或任何一种恶劣的游戏；

3、而我对于事业 的勤劳，乃是按照必要，不厌不倦。”他还告诫青年人：“你热爱生活吗？那么 别浪费时间，因为时间是组成生命的材料。”正是由于富兰克林惜时如命地利用 时间刻苦自学，使他在早期就为后来进行科学研究和社会活动奠定了坚实的文化 科学知识的基础。他以惊人的勤奋，先后掌握了法文、意大利文、西班牙文和拉 丁文等多国语言，学习并研究了世界科学文化的先进成果。1743年他组织了美国 哲学会，1751年襄助创办了宾夕法尼亚大学， 在17461756年的10年中，他把 大部分精力集中于电学的研究，并取得了很大的成绩，从而获得了 “电学之父”称号。由此获得耶鲁大学、剑桥大学和哈佛大学的名誉学位，成为英国皇家

4、学会 第一批外国会员和法国科学院的院士。此外，在独立战争时期，富兰克林参加了 反英斗争，当选为第二届大陆会议代表，并参加起草独立宣言。 1776 1785 年出使法国，于 1778年缔结法美同盟。 1787 年被选为制宪会议代表，积极主张 废除奴隶制度。所以，富兰克林是一位集科学家、政治家、实业家、文学家为一 身的伟人，他的成功来源于他自己所说的“勤勉与诚实”。、富兰克林的电学 富兰克林在 40岁前，因主活所迫， 主要精力都放在经营印刷所和社会活动方面， 而真正始从电学实验研究是在 1745 1746 年冬。由于他的勤奋和天赋，在短短 的 10 年中就发现了尖端放电现象，提出了“正电”和“负电

5、”概念与电荷守恒 定律，证明了人工电和雷电的同一性，设计出避雷针，并用莱顿瓶放电，首次使 钢针磁化。这些工作无疑是当时物理学所取得的最大成就，打开了 18 世纪电学 的广阔前景， 特别是他对雷电的研究， 使人类从对雷电的冥思苦想和畏惧中解放 出来。19世纪德国著名科学家洪堡说： “从这个时代起， 电学的发展由思辨物理 学领域进入了对宇宙考虑的阶段，从幽深的书斋走进了自由的大自然界”。1尖端放电与莱顿瓶 1746年，富兰克林 40 岁时到波士顿观看了斯宾塞表演的各种电学实验，引起了 很大的兴趣。临别时，斯宾塞博士将部分仪器送给了他，当他回到费城后又收到 英国科学家柯林孙寄给他的一只莱顿瓶。 从此

6、，他开始用自学的知识与几位科学 朋友在费城开始了电学实验， 以探索电的奥秘， 他最先发现的是尖端导体放电现 象。一次实验中，他在一个干净的瓶口上放一枚铁弹，直经约 3.4 英寸，使铁弹 带电，用一根细绳将一个软木塞悬吊在天花板下面。当铁弹靠近木塞时，木塞被 推到离铁弹 4.5 英寸远的地方， 这时如果将一根接有地线的尖导体对准铁弹， 会 发生什么现象？他在 1747年 5月25日给英国柯林孙的信上说： “在这种情况下， 如果将一根细长尖锐的锥子的尖头在离开 6 英寸或 8 英寸的地方对准弹丸， 排斥 力立即被破坏，木塞就飞向弹丸。一个纯导体必须放在 1 英寸距离之内，而且拖 曳出一束火花后才产

7、生同样的效果。 要证明电火被尖导体吸收， 就得这样试试”。自柯林孙寄给富兰克林一只莱顿瓶后， 他用莱顿瓶进行了一系列的实验。 他在给 柯林孙的感谢信中说：“在以前我做的任何研究中， 我从来没有像近来做这个实 验那样如此完全集中我的注意力和花费我的时间。 ”而且他还用他提出的电荷守 恒原理分析研究了莱顿瓶。他在 1748年 4月给柯林孙的另一封信上第一次明确 指出，如果使莱顿瓶里面的水或金属球或金属箔“带上正电或阳电”， 那么在莱 顿瓶外面复盖的金属箔将同时“带上数量刚好相等的负电或阴电。”他指出， “充电”和“放电”这两个词用得不妥当， 因为“充电”时莱顿瓶内、 外的金属 体是同时带上数量相等

8、、 符号相反的电荷， “莱顿瓶在所谓充电后实际不存 在更多的电火，在放电后也不会有任何减少。”此外，他还用莱顿瓶实验，第一 个明确指出了电容器中电能储存在金属板间的电介质中。 1748 年，他做了一个所 谓“可解剖电容器”的实验，将充好电的“电容器”（实际是莱顿瓶）的金属杆 和软木塞轻轻地取走，结果莱顿瓶仍然能够放电。他由此断定，电能至少不会储 存在莱顿瓶的金属杆的木塞上。 接着， 他将充过电的莱顿瓶中的水倒进另一只放 在绝缘板上的未充电的莱顿瓶中， 结果第二个莱顿瓶并没有因为接收了带电莱顿 瓶中的水而带电， 第一个莱顿瓶也不因瓶中的水倒掉使其电能有任何损失， 这样 他又排除电能储存在水中的可

9、能性。 经过这样一步一步地追溯， 他最后得出的结 论：“瓶中的全部力或产生电击的能量，存在于玻璃的自身”。他接着提出这样 的问题： 玻璃的这种储电能力是否决定于玻璃的性质， 还是决定于玻璃的形状？ 随着这个问题的解答， 平行板玻璃介质电容器诞生了。 因为他发现了电容器的储 电能力与玻璃的形状无关， 圆筒形莱顿瓶可以储电， 如果把莱顿瓶的玻璃展开成 平面，它仍然具有莱顿瓶的一切特性。富兰克林设计的平行板电容器，由两块铅 板中间夹一块玻璃板构成。后来他又把 11 个平行板电容器串联起来，将它们充 电后作为“电池”使用。 1950年他又根据哈瓦德和瓦德尔分别发现的闪电使指南 针的指向全部反转的事实作

10、出推断： 既然闪电可以使磁针偏转， 那么莱顿瓶放电 同样能使磁针偏转。更可贵的是，他从这个推断又推出另一种可能性：莱顿瓶放 电能使钢针磁化。后来他经过实验证实了这两个推断，并于 1750年 7月去信给 柯林孙详细叙述了这项实验。2“正、负电荷”概念与电荷守恒定律1747 年，富兰克林通过一系列的电学实验研究， 提出了一元电流体的假说和电荷 守恒的思想，他认为“电火”是一种“充斥于物体中的真正元素， 它被其它物质， 特别被水和金属吸引”。如果一个物体散失了一些“电火”，它就带负电；如果 收集了一些电荷，它就带正电。总之，一个或多个物体可以获得另一个物体散失 的“电火”，电荷的正和负必须等量出现。

11、“电火”既不能产生，也不会消灭， 它们不是通过摩擦来产生，而是通过摩擦被“收集”。为了说明以上的观点，他 在瑞士科学家哈勒的一个电学实验的基础上，进行了大胆地改进、简化和推广， 并提出了电的“单流体说”来解释电荷守恒原理。 他在给柯林孙的第五封信中描 述了这个实验：假定三人 A、B C,开始实验时，A站在石蜡板上，摩擦玻璃瓶， 电从自身汇集到玻璃瓶上， 他的传递途径被石蜡板切断， 他的身体不能立即再得 到电。B也站在石蜡板上，他用手指关节靠近玻璃瓶时，接受火花，这是从 A身 上集中到玻璃瓶上的。B的传递途径也被石蜡板切断，于是他保留过量的电。站 在地板上的C,带适量的电火花，A、B对他都带电，

12、当他靠近B时，因B是带过 量的电，所以C是接受火花的；当他靠近 A时，因A缺少电，所以是给予A的。 如果A和B互相接触，由于他们相差较大，所以火花较强。接触后， A、B中任一 人对C都没有火花，因为都已回到原来状态。如果他们在带电时相互接触，电火 花仅发生传导而已， 数量上不会有所增减。 这里，他还引入了电学中的新术语“正 电”和“负电”，他称B带正电，A带负电，或者说B带的电是正的，A是负的,，。 这为定量研究电现象提供了一个基础。他认为：“电不能因摩擦而创生，而只是 从摩擦者转移到了玻璃瓶， 摩擦失去了电与玻璃瓶获得的电严格相同”。 也就是 说，摩擦既不能产生电，也不能消灭电，它仅仅起到使

13、电循环的作用。这就是当 年富兰克林的电荷守恒定律的思想。3电的同一性与避雷针富兰克林在发现尖端放电现象后就开始对打雷、 闪电和云的形成进行了多次观察 和思考， 认为云层由于不断受蒸汽的摩擦而带电， 天上的闪电和实验室中的放电 可能是一回事，并且他列举出十二条关于闪电和用实验产生的电火花的相似性：发光；光的颜色；弯曲的方向；快速运动；被金属传导；在爆发时 发出霹雳声和噪声；在水中或冰里存在；劈裂了它所通过的物体；杀死动 物；熔化金属；(11)使易燃物着火；(12)含硫磺气味。为了进一步验证他的上 述想法，他在 1750年 7月给柯林孙的信中最先提出一个“岗亭”实验的设想， 以证明云层中的电和摩擦

14、电的同一性。 他所说的“岗亭”， 是建在高塔或教堂尖 端的方形木楼， 应做得刚好容纳一个操作者和一个绝缘支架那样大。铁杆固定在 绝缘支架上，从岗亭顶窗穿出，笔直伸向天空，高出岗亭二三十英尺。他建议操 作者站在绝缘木板上，密切注视天空，当乌云掠过上空时，手持绝缘环将一根接 地的导体拿近铁杆，使其尖端对着铁杆，但留出点空隙。他断言，在导线和铁杆 之间将有电火花出现。 第一个按照他的建议进行实验的是德国的达里巴尔所建的 “岗亭”树立的尖顶铁杆高达 44英尺，1752年5月 10日，当黑云掠过铁杆尖端 时，成功地把云层中的电引进了莱顿瓶。接着，法国巴黎大学用99英尺高的铁杆重复了这一实验。虽然富兰克林

15、自己没有做“岗亭”实验，但他在1752年 7月，与他的儿子一起在美国费城做了一个震撼世界的“电风筝实验”。 风筝是用杉树枝作骨架， 扎成 菱形，蒙上一层不易湿透的绸子，风筝的上端装了一根 1 英尺长的尖铁丝，将它 与牵风筝的亚麻线系在一起， 亚麻线的下端接在一段不长的丝绳上，以便将风筝 拉住，丝绳末端拴了一把金属钥匙。实验那天，费城雷雨交加，当风筝上面飘浮 着带雷电的云时， 尖铁丝立即从云中取得了“电火”。 他发现与丝绳连在一起的 亚麻线上有几处散开的纤维直竖了起来， 且能被手指吸引。 他用食指靠近钥匙圈， 骤然间，一些电火花从他食指上闪过，与摩擦生电时发生的电火花没有两样。他 大叫道：“电，

16、天电捕捉到了！”后来富兰克林用莱顿瓶收集到云层中的电的放 电情况与用摩擦电机充电的莱顿瓶放电的情况毫无二致。 这样，云层中的电和摩 擦电的同一性终于被证明了。英国物理学家普里斯特利在 1767年对此作过高度 评价，他认为富兰克林的电风筝实验把雷电和普通的电统一起来，“是自伊沙 克牛顿以来最伟大的”发现，因为它给人们感觉最神秘、最可怕的自然现象提 供了理性的解释， 它证明电效应并不仅仅是一种人为的现象， 而且是自然界行之 有常的运动的一部分。 富兰克林也因这项成就， 而在 1753年 11 月荣获了伦敦皇 家学会颁发的柯普勒金质奖章。富兰克林通过对尖端放电现象和雷电性质的实验研究后认为： 尖导体

17、既然能够释 放或吸收物体上的电荷，那么它也能释放或吸收云层中的电。他说：“当带电的 云块飘过田野， 掠过高山、 巨树、耸立的高塔、 尖屋顶、 船舶桅杆、烟筒等物时， 拖曳出电火， 正如许多尖导体和突出物产生的现象一样， 整个云层就在那里放出 电来。 ”因此， 他在 1750年 7月给柯林孙的一封信上首先提出了避雷针的设想， 他说，既然尖导体可以把一个离它很远的带电体上的电荷释放掉， 避免它对其它 物体产生电击， 那么“尖导体”对于人类可能有些用处。 他建议将一根上端尖锐 的铁杆涂上一层防锈物，安装在房屋的最高处，沿着房屋的墙壁直通地里，或安 装在船桅杆顶端， 沿着桅杆向下直至将其尾部抛入水中，

18、 它们就能“在云层将要 产生电击的千均一发之际，静悄悄地把电从云中吸走，因而使我们免受最突然、 最骇人的悲剧”。 虽然当时人们还未完全接受雷电和一般的电的同一性说法， 但 发现避雷针确实能使他们防患于未然， 确保生命和财产的安全， 他们就接受了富 兰克林的建议。 1 754年，捷克科学家吉韦茨根据富兰克林的建议制造了第一个避雷针。1760 年，富兰克林在费城的一座大楼上也竖起了一根避雷针。 很快在美洲、 欧洲，安装避雷针蔚然成风，并迅速传遍各国。然而，在美国革命期间，因为富 兰克林是美国独立宣言的三位主要起草人之一，英王乔治三世下令将白金汉 宫的尖头避雷针改换成圆头避雷针， 并要求伦敦皇家学会会长普令格尔批准圆头 避雷针的方案遭到严正拒绝后， 普令格尔由此被革去会长