讲稿复件复件复件物理学与社会进步(I)

1、物理学与社会进步：电学篇物理学与社会进步：电学篇 热机的应用热机的应用极大提高了劳动效率，促进了第极大提高了劳动效率，促进了第一次工业革命。加之英国实现了君主立宪的资一次工业革命。加之英国实现了君主立宪的资本主义制度，英国率先完成第一次工业革命，成本主义制度，英国率先完成第一次工业革命，成为当时第一号强国，号称为当时第一号强国，号称“日不落日不落”帝国。帝国。 第二次工业革命是在第二次工业革命是在电磁学电磁学基础上发展起来的，基础上发展起来的，从此人类告别了从此人类告别了黑暗，进入了光明黑暗，进入了光明的时代。的时代。 首先研究电磁学的历史及历史人物做的贡献；其首先研究电磁学的历史及历史人物做

2、的贡献；其次研究电磁学对社会进步的贡献和今日电磁学。次研究电磁学对社会进步的贡献和今日电磁学。2、静磁学的发展、人物和应用静磁学的发展、人物和应用在西方，第一个记述磁现象的人是泰利斯，在小在西方，第一个记述磁现象的人是泰利斯，在小亚细亚亚细亚Magnesia发现了磁铁矿，发现了磁铁矿，Magnet来自于来自于地名。地名。系统研究是英国医生吉尔伯特（英国女王伊丽莎系统研究是英国医生吉尔伯特（英国女王伊丽莎白一世的御医），把磁石加工成白一世的御医），把磁石加工成“小地球小地球”，模，模拟拟“地磁地磁”，研究磁偏角。，研究磁偏角。在中国，磁矿，对铁有吸引力，是铁的母体，管在中国，磁矿，对铁有吸引力，

3、是铁的母体，管仲称为仲称为“慈石慈石”；秦始皇修阿房宫，做了磁铁门；秦始皇修阿房宫，做了磁铁门；公元前公元前4世纪，利用磁体做世纪，利用磁体做“司南司南”，指明方向，指明方向，指南针，郑和下西洋。指南针，郑和下西洋。1、静电学的开端、静电学的开端古代的中国与电古代的中国与电中国，三千多年前的中国，三千多年前的甲骨文中已经有了甲骨文中已经有了“电电”，所指的雷电。公元前所指的雷电。公元前2世纪的方士们用元气论解世纪的方士们用元气论解释了雷电的形成。提出：释了雷电的形成。提出：“阴阳相薄为雷，激扬阴阳相薄为雷，激扬为电为电”（西汉刘安（西汉刘安淮南子淮南子.坠形训坠形训），并发明），并发明了名叫了

4、名叫“砥吻砥吻”的避雷装置（唐代王睿的避雷装置（唐代王睿灸壳灸壳子子）。）。评述：评述：元气论认为，万物的基本成分是阴、阳二气。类似于我们元气论认为，万物的基本成分是阴、阳二气。类似于我们说的正电、负电，有无说的正电、负电，有无“粒子性粒子性”没有说明。没有说明。“阴阳相薄，阴阳相薄，激扬激扬”有有“阴气、阳气相互摩擦阴气、阳气相互摩擦”的含义。的含义。 “砥吻砥吻”原原指神话传说中的能够噴浪降雨的大鱼，后来指的是屋脊两指神话传说中的能够噴浪降雨的大鱼，后来指的是屋脊两端的鱼尾装砖瓦。雨天的屋面和墙壁是与大地相同的导体，端的鱼尾装砖瓦。雨天的屋面和墙壁是与大地相同的导体，通过通过“砥吻砥吻”的

5、的尖端放电尖端放电可以达到避雷的目的。可以达到避雷的目的。希腊哲学家泰利斯（前希腊哲学家泰利斯（前6世纪）记录了织工们的发现：毛皮世纪）记录了织工们的发现：毛皮摩擦过的摩擦过的琥珀琥珀具有吸引轻小物体的能力。具有吸引轻小物体的能力。16世纪，英国医生吉尔伯特，英国女王伊丽莎白一世的御世纪，英国医生吉尔伯特，英国女王伊丽莎白一世的御医，对金刚石、硫磺、明矾等物质做了实验，摩擦后能够获医，对金刚石、硫磺、明矾等物质做了实验，摩擦后能够获得吸引轻小物体的能力。称为电性。得吸引轻小物体的能力。称为电性。琥珀琥珀,希腊文希腊文 ,英语英语electron, electricity.盖里克，多才多艺的工程

6、师，担任德国马德堡市长盖里克，多才多艺的工程师，担任德国马德堡市长35年。年。1654做了马德堡半球实验做了马德堡半球实验;1660年，用硫磺球做实验，布年，用硫磺球做实验，布帛与之摩擦，发明了一台帛与之摩擦，发明了一台产生大量电荷的摩擦起电机产生大量电荷的摩擦起电机，用，用起电机带电吸引轻小物体羽毛。实验装置起电机带电吸引轻小物体羽毛。实验装置 二、电磁理论的建立二、电磁理论的建立 1. 开始开始2. 发展发展伽伐尼伽伐尼 伏达伏达库仑扭秤库仑 伏打电池堆罗宾逊罗宾逊,12rf06. 0卡文迪许，贵族，科学研究卡文迪许，贵族，科学研究中，比库伦早中，比库伦早11年；米切尔与卡文迪许的友谊。年

7、；米切尔与卡文迪许的友谊。02. 0库伦库伦,12rf04. 0万有引力理论的指导（类比）实验万有引力理论的指导（类比）实验1610) 1 . 37 . 2(1971年，测到的精度年，测到的精度真空中真空中,点电荷点电荷q1、 q2，相距为，相距为r图10-1q1q2rF实验规律：实验规律：221rqqF 方向：方向：同性相斥同性相斥，异性相吸异性相吸221rqqkF 229/.100 . 9CmNk041k22120./1085. 841mNCk 0称为真空介电常数称为真空介电常数库仑定律库仑定律221041rqqF库仑定律库仑定律roerqqF22141(10-1) er 是从点电荷是从点

8、电荷q1指向点电荷指向点电荷q2的的单位矢量单位矢量。 q1q2rF图10-1re 库仑定律的适用范围：库仑定律的适用范围：点电荷点电荷 若带电体不能视为点电荷，则采用若带电体不能视为点电荷，则采用“化整为零，集零化整为零，集零为整为整”方法处理。方法处理。作用作用产生产生电荷电荷q1 产生产生电场电场作用作用电荷电荷q2q1q2rF图10-1re已证实：已证实： 电荷电荷q1和和q2没有接触，是如何发生相互没有接触，是如何发生相互作用的呢？作用的呢？什么是电场？如何描述电场？什么是电场？如何描述电场？电场和电场强度电场和电场强度电场和电场强度电场和电场强度一、电场：一、电场：存在于存在于电荷

9、电荷周围的一种周围的一种特殊特殊的的物质物质物质性：物质性：电场对处于场中的电荷有力作用电场对处于场中的电荷有力作用 电场力对场中的运动电荷做功，电场具有电场力对场中的运动电荷做功，电场具有能量能量 电场能与其他物质（导体、电介质）相互电场能与其他物质（导体、电介质）相互作用作用特殊性：特殊性：区别于实体物质，电场具有空间叠加性。区别于实体物质，电场具有空间叠加性。静电场：静电场：由相对于观察者静止的电荷激发的电场由相对于观察者静止的电荷激发的电场具体讲：具体讲：q0为正，则为正，则 与与q0受力方向相同受力方向相同Eq0为负，则为负，则 与与q0受力方向相反受力方向相反Eqq0EF0qFE

10、qq0F q0因极性不同，受力方向不同，但因极性不同，受力方向不同，但q0所在处场强的方所在处场强的方向是唯一的。由场源电荷向是唯一的。由场源电荷q的电性决定的电性决定.q为正，为正， 背向背向qEq为负，为负， 指向指向qEE三三.、场强叠加原理、场强叠加原理E1q2E2-q3E3q4E4q1P若：第若：第i个点电荷在个点电荷在P点激点激发的电场为发的电场为Ei则：则：P点总场强点总场强niiE1E注意：注意： 是各是各 的的矢量和矢量和 EiE若电荷为连续分布的带电体，则取电荷元若电荷为连续分布的带电体，则取电荷元dqdEVEdEVEdE若各若各 同向时，同向时，dEdEEdE若各若各 不

11、同向时，不同向时，kdEjdEidEEdzyxxxdEEyydEEzzdEE222zyxEEEE方向：方向：EExcosEEycosEEzcos四、场强的计算四、场强的计算1.点电荷点电荷q的电场的电场qr.Pre图10-2rooerqqF241oqFE (10-5)roerq24E 的大小：的大小：24rqEo 若若q0,电场方向由点电荷沿径向指向四周；若电场方向由点电荷沿径向指向四周；若qR），轴线上磁场），轴线上磁场nIB0)cos(cos2120nIBP1221, 012 安培其人安培其人、研究方法、成就、意义研究方法、成就、意义14 安培与毕奥安培与毕奥-萨伐尓的成就、争论、意义萨伐

12、尓的成就、争论、意义和启示和启示（1） 力线的观点力线的观点两点两点(c)一对等量正电荷一对等量正电荷(d)一对等量异号电荷一对等量异号电荷3、法拉第的贡献、法拉第的贡献媒介作用；空间叠加性媒介作用；空间叠加性磁力线图磁力线图首先介绍几种简单的电磁感应现象。首先介绍几种简单的电磁感应现象。 IiIiI(t)Ii（2） 电磁感应电磁感应,婴儿的故事婴儿的故事 电磁感应定律由法拉第1831年提出，但他未给出定量的数学表达式。定律形式由（F.Neumann）1845年给出。考虑到楞次定律，加了个负号。 电磁感应定律问世是一个大事，为人类进入电气时代奠定了基础。当法拉第表演其实验时，贵妇人取笑道：你发

13、明的这个玩意儿有什么用？法拉第说：夫人，新生的婴儿有什么用？过了30年，西门子1867年发明了发电机。法拉第却在1867年坐在轮椅上悄悄告别人世。 法拉第一生过着清贫的日子。不少公司和厂家愿以重金聘请他担任顾问，他拒绝了。其学生丁铎儿说：这位铁匠的儿子，定书商的学徒，可以得到15万镑的财富。另一方面是没有报酬的学问。他选择了后者，过着贫困的日子。这使得英国的科学声誉比别国都高，获得了接近40年的光荣。1 分子运动论2 麦克斯韦方程组A 随时间变化的磁场可以产生电场旋涡电场：区别于静电场B 变化的电场可以产生磁场C 波速二、电磁理论的完成BIab 静电场：静电场：由电荷产生，是保守力场；电力线起

14、于正由电荷产生，是保守力场；电力线起于正电荷，止于负电荷，不形成闭合曲线。电荷，止于负电荷，不形成闭合曲线。 感生电场：感生电场：由由变化的磁场变化的磁场激发，激发，是非保守力场是非保守力场；其；其电力线是电力线是闭合曲线闭合曲线, 故又称为故又称为涡旋电场涡旋电场。 4.感生电场与静电场的感生电场与静电场的比较比较感生电场的方向可用感生电场的方向可用楞次定律楞次定律来确定。来确定。 感生电场感生电场Ei的电力线是的电力线是围绕磁力线围绕磁力线的的闭合曲线闭合曲线；位移电流密度：位移电流密度：位移电流强度：位移电流强度：dtdIed (12-19)即即:电场中某点的电场中某点的位移电流密度位移

15、电流密度等于该点等于该点电位移矢量电位移矢量对时间对时间的变化率的变化率；通过电场中某面积的；通过电场中某面积的位移电流强度位移电流强度等于通过该面积的等于通过该面积的电位移通量电位移通量对时间对时间的变化率的变化率。 麦克斯韦认为麦克斯韦认为:变化的电场是一种变化的电场是一种电流电流，即，即位移电流位移电流。麦克斯韦指。麦克斯韦指出：出：dtDdJd(12-18)图12-39kIlE+q-q麦克斯韦方程组的意义：麦克斯韦方程组的意义：(1)概括、总结了一切宏观电磁现象的规律。概括、总结了一切宏观电磁现象的规律。(2)预见了电磁波的存在。预见了电磁波的存在。变化的磁场激发电场变化的磁场激发电场

16、变化的电场激发磁场变化的电场激发磁场 电磁场这样交替激发，就可以离开场源而在空间作电磁场这样交替激发，就可以离开场源而在空间作为一个整体传播开去，从而形成电磁波。为一个整体传播开去，从而形成电磁波。图12-43i变化的磁场产生的变化的磁场产生的电场和磁场相互垂直电场和磁场相互垂直。1.波速波速真空中：真空中： 可见可见,真空中电磁波的传播速度即为真空中电磁波的传播速度即为光速光速。这与实验。这与实验结果一致。这也表明结果一致。这也表明,光波光波就是在某一波段的就是在某一波段的电磁波电磁波。coo1 = c。2.电磁波是横波电磁波是横波 E，H的方向与传播方向垂直的方向与传播方向垂直。(传播方向

17、)xEyHz1 发现了电磁波2 电磁波的波速、类光实验反射、聚焦、衍射、折射、干涉麦克斯韦的理论取得了决定性胜利。“自牛顿以后世界上最伟大的数学物理学家”。爱恩斯坦感叹说：“物理学家花了几十年时间理解麦克斯韦的理论，赫兹的实验以后，对新理论的抵抗才被打垮”。 赫兹在物理学上的主要贡献是发现电磁波。当时人赫兹在物理学上的主要贡献是发现电磁波。当时人们对电磁理论的认识还很不一致。们对电磁理论的认识还很不一致。18791879年，亥姆霍兹为年，亥姆霍兹为柏林科学院设计的重金悬赏中，提出了用实验验证麦克柏林科学院设计的重金悬赏中，提出了用实验验证麦克斯韦电磁波的理论和预言。斯韦电磁波的理论和预言。 1

18、8941894年年1 1月月1 1日。因血液中毒在波恩逝世，年仅日。因血液中毒在波恩逝世，年仅3636岁。为岁。为了纪念他的卓越贡献，将频率的单位命名为赫兹。了纪念他的卓越贡献，将频率的单位命名为赫兹。 爱因斯坦评价说：爱因斯坦评价说：“只是等到赫兹以实验证实了麦克只是等到赫兹以实验证实了麦克斯韦电磁波的存在以后，对新理论的抵抗才被打垮。斯韦电磁波的存在以后，对新理论的抵抗才被打垮。”可可以说，赫兹的卓越实验，为麦克斯韦的理论添上了至关重以说，赫兹的卓越实验，为麦克斯韦的理论添上了至关重要的一笔。其后迅速发展起来的无线通讯技术，则是直接要的一笔。其后迅速发展起来的无线通讯技术，则是直接受惠于赫

19、兹的无与伦比的实验。受惠于赫兹的无与伦比的实验。 一项伟大的科学成果从发现到为人类所利用，往一项伟大的科学成果从发现到为人类所利用，往往需要经过几代人前赴后继的努力。麦克斯韦预言电往需要经过几代人前赴后继的努力。麦克斯韦预言电磁波的存在，但却没有能通过亲手实验证实他的预言磁波的存在，但却没有能通过亲手实验证实他的预言；赫兹透过闪烁的火花，第一次证实电磁波的存在，；赫兹透过闪烁的火花，第一次证实电磁波的存在，但却但却断然否认利用电磁波进行通信的可能性断然否认利用电磁波进行通信的可能性。他认为。他认为，若要利用电磁波进行通信，需要有一面面积与欧洲，若要利用电磁波进行通信，需要有一面面积与欧洲大陆相

20、当的巨型反射镜。大陆相当的巨型反射镜。 马可尼自幼便有广泛的爱好，对电学、机械学、马可尼自幼便有广泛的爱好，对电学、机械学、化学都有浓厚的兴趣。化学都有浓厚的兴趣。1313岁便在赫兹证实电磁波存在岁便在赫兹证实电磁波存在的论文的启发下，萌发了利用电磁波进行通信的大胆的论文的启发下，萌发了利用电磁波进行通信的大胆设想。他时而在阁楼上，时而在庭院或农场里进行无设想。他时而在阁楼上，时而在庭院或农场里进行无线电通信的试验。线电通信的试验。 18971897年，马可尼建立了世界上第一家年，马可尼建立了世界上第一家无线电器材公司无线电器材公司美国马可尼公司。美国马可尼公司。18981898年，英国举行游

21、艇赛，终点是距海岸年，英国举行游艇赛，终点是距海岸2020英里的海上。英里的海上。都柏林快报都柏林快报特聘马可特聘马可尼用无线电传递消息，游艇一到终点，他尼用无线电传递消息，游艇一到终点，他便通过无线电波，使岸上的人们立即知道便通过无线电波，使岸上的人们立即知道胜负结果，观众为之欣喜若狂。可以说，胜负结果，观众为之欣喜若狂。可以说，这是无线电通信的第一次实际应用。这是无线电通信的第一次实际应用。 19091909年，马可尼获年，马可尼获得诺贝尔物理学奖得诺贝尔物理学奖，这年他才，这年他才3535岁。岁。 马可尼发送第一封无线马可尼发送第一封无线电报的设备复制品电报的设备复制品西门子发电机、雅克

22、比电动机（12乘客航行）变压器的发明与输电、交流电电力传输系统1万伏特电压 从七公里外送到伦敦，降到100V，给用户使用。电灯：铂金丝、碳弧光灯、钨丝电报机：莫尔斯电码，海底电报电缆，开尔文无线电传播：马可尼、波波夫，过英吉利海峡，1901年过加拿大到英国。二极管、三极管电子管二极管、三极管电子管1923年美国从华盛顿到费城发送了哈丁总统的照片；1928年美国出现电视台。无线电广播、电视量子力学与半导体二极管、电子计算机 亨利的故事。电磁波发射与接收装置电磁波发射与接收装置 汽车是个静电屏蔽室汽车是个静电屏蔽室平面简谐波平面简谐波如果原点的振动表达式如果原点的振动表达式:tAycos0沿沿x正

23、方向传播正方向传播的平面简谐波的波动式的平面简谐波的波动式:)(cosxtAy平面波的动力学方程平面波的动力学方程222221tyxy(为波速为波速)上册上册p173tBEtEB00tEjB001 赫兹发现电磁波接受线圈平行发射线圈(氖管发光)接受线圈垂直发射线圈(氖管不亮)磁场电场tEB00tEjB00tBEtBE2200tEE2200)()(tEEE00 E2200222222)(tEEzyx2200222222)(tEEzyx220022tExEyy222221tyxy00211smc/1031800)(cos0cxtEEy(传播方向)xEyHzsmc/1031800真空中的光速对那个参

24、考系而言？真空中的光速与参考系无关！2 光速不变原理 狭义相对论和广义相对论电磁波在真空中的传播速度和真空中的光速相等，说明光是某一频率范围内的电磁波1光学和电磁学统一起来了。)(cos0cxtEjE电磁波是横波，那么光波呢？3 纠正光是纵波的假设马吕斯定律(传播方向)xEyHz1 古代中国在电磁学的发展和应用中作的贡献2 西方在库伦定律发现之前在电磁学的发展和应用中作的贡献3 和西方相比，中国为什么在电磁场的研究和发展以及应用中落伍了？给了我们什么启示？4 库伦定律是如何建立的？5 卡文迪许的性格与成就思考题与作业题：6伽伐尼伽伐尼 的成就、得失的成就、得失7 伏打的人格、研究方法、成就、意义的人格、研究方法、成就、意义8 富兰克林其人，对天电、地电的统一，启示9 奥斯特实验装置、对电磁学的发展贡献、奥斯特实验装置、对电磁学的发展贡献、意义、启示意义、启示10 安培其人安培其人、研究方法、成就、意义研究方法、成就、意义1