文科物理第二章第3节A

1、2.3 电磁感应定律电磁感应定律2.3.1 电磁感应定律电磁感应定律的建立的建立一、一、法拉第法拉第确立电磁感应定律确立电磁感应定律 奥斯特奥斯特的发现和日新月异的的发现和日新月异的电流磁效应电流磁效应的研究成的研究成果，极大地激励了英国学术界。果，极大地激励了英国学术界。18211821年，英国年，英国哲哲学年鉴学年鉴主编邀请著名主编邀请著名化学家化学家汉弗里汉弗里戴维戴维撰写一篇文撰写一篇文章，综合评述奥斯特电流磁效应发现以来的章，综合评述奥斯特电流磁效应发现以来的电磁学发电磁学发展概况展概况。戴维将这一工作交给了。戴维将这一工作交给了助手助手法拉第法拉第，法拉第，法拉第在收集材料过程中，

2、对电磁学研究产生了兴趣和热情。在收集材料过程中，对电磁学研究产生了兴趣和热情。从此，法拉第将研究工作转向了从此，法拉第将研究工作转向了电磁学电磁学。举世闻名的举世闻名的伟大化学家伟大化学家汉弗里汉弗里戴维戴维（HDavy，17781829） 学徒学徒出生的出生的科学家科学家1803年他被选为英国皇家学年他被选为英国皇家学会会员，会会员，1807年出任皇家学年出任皇家学会秘书，会秘书， 1820年被选为年被选为皇皇家学会会长家学会会长。1826年积劳成年积劳成疾而病倒，疾而病倒，1827年死于日内年死于日内瓦，终年瓦，终年51岁岁。 汉弗莱汉弗莱戴维戴维，英国化学家、发明家，英国化学家、发明家，

3、电化学电化学的开拓者之一，的开拓者之一，17781778年出生于英国彭赞斯年出生于英国彭赞斯贫贫民家庭民家庭。1717岁开始岁开始自修化学自修化学，17991799年他发现年他发现笑气的麻醉作用后开始引起关注。笑气的麻醉作用后开始引起关注。在化学上在化学上他的最大的贡献他的最大的贡献是开辟了用电解法制取金属是开辟了用电解法制取金属元素的新途径：即用伏打电池来研究电的化元素的新途径：即用伏打电池来研究电的化学效应。电解了之前不能分解的苛性碱，从学效应。电解了之前不能分解的苛性碱，从而而发现了发现了钾钾和和钠钠，后来又制得了，后来又制得了钡、镁、钙、钡、镁、钙、锶锶等碱土金属。他被认为是发现元素最

4、多的等碱土金属。他被认为是发现元素最多的科学家。科学家。18151815年发明了在矿业中检测易燃气年发明了在矿业中检测易燃气体的体的戴维灯戴维灯。18201820年当选英国皇家化学会主年当选英国皇家化学会主席。席。 伟大的科学家伟大的科学家法拉第法拉第是是戴维戴维发现的。发现的。由于戴维的帮助，由于戴维的帮助，法拉第法拉第来到了皇家科普来到了皇家科普协会实验室，由一个协会实验室，由一个贫穷的订书工贫穷的订书工变成变成戴戴维的助手维的助手。虽然。虽然戴维戴维在晚年，曾因在晚年，曾因嫉妒嫉妒法法拉第的成就拉第的成就而压制过他，但是而压制过他，但是不能不承认不能不承认正是正是戴维戴维对他的培养，为法

5、拉第以后完成对他的培养，为法拉第以后完成科学的勋业创造了必要的条件。所以科学的勋业创造了必要的条件。所以戴维戴维发现并培养了发现并培养了法拉第法拉第这样一个杰出人才，这样一个杰出人才，这本身就是对科学事业的一个重大贡献。这本身就是对科学事业的一个重大贡献。汉弗里汉弗里戴维戴维临终前在医院养病期间，临终前在医院养病期间，一位朋友去看他，问他一生中最伟一位朋友去看他，问他一生中最伟大的发现是什么，他绝口未提自己大的发现是什么，他绝口未提自己发现的发现的众多化学元素众多化学元素中的任何一个，中的任何一个，却说：却说：“我最大我最大的发现的发现是是一个人一个人法拉第法拉第！” Michael Fara

6、day Born: 22 September 1791 Died: 25 August 1867 Englishdtdl dEBCThe greatest of all English experimental physicists Induction experiments 1821 1821年年4 4月，英月，英国大化学家、物理学国大化学家、物理学家家沃拉斯顿沃拉斯顿设计了设计了电电磁旋转器磁旋转器，几次实验，几次实验都遭到了失败。沃拉都遭到了失败。沃拉斯顿的斯顿的想法给了想法给了法拉法拉第第启发启发。法拉第设计。法拉第设计了一台了一台电磁旋转器电磁旋转器。 1 1、法拉第、法拉第发明发明

7、电磁旋转器电磁旋转器电源电源固定导体固定导体可转动导体可转动导体固固定定磁磁极极可可转转动动磁磁极极 1、法拉第法拉第发明发明电磁旋转器电磁旋转器电源电源固定导体固定导体可转动导体可转动导体固固定定磁磁极极可可转转动动磁磁极极接通电源后，接通电源后，左端左端的的自由磁极自由磁极和和右端右端的自由导体的自由导体同时产同时产生运动生运动，其转动方，其转动方向由向由电流方向电流方向决定。决定。 这真是一个了不起的成功，这真是一个了不起的成功，奥斯特奥斯特只是发现了只是发现了旋转力旋转力的存在，而的存在，而法拉第法拉第则则实现了实现了长久长久的的旋转运动旋转运动。 电磁旋转器电磁旋转器是是电动机电动机

8、的的实验室雏型实验室雏型，它对人类它对人类利用电能利用电能具有划时代的意义具有划时代的意义。法拉法拉第第关于关于电磁旋转器电磁旋转器实验的文章，被刊登在实验的文章，被刊登在18211821年年9 9月月3 3日英国的日英国的科学季刊科学季刊上。这次上。这次成功，充分成功，充分显示了显示了法拉第法拉第无与伦比的实验技无与伦比的实验技能和技巧能和技巧，是他的科学天才出现的第一次高是他的科学天才出现的第一次高峰峰。同时，也强有力地激发了。同时，也强有力地激发了法拉第法拉第对对电磁电磁学学的研究信心和热情。的研究信心和热情。 英国科学界普遍认为，英国科学界普遍认为，作用作用总应伴随着总应伴随着反作用反

9、作用。奥斯特的发现是。奥斯特的发现是“电生磁电生磁”，促使，促使人们想到了人们想到了“磁生电磁生电”。法拉第法拉第就是最早想就是最早想到到“磁生电磁生电”的科学家之一。的科学家之一。法拉第相信各种法拉第相信各种“自然力的统一自然力的统一”，追求这，追求这种统一，他确信种统一，他确信客观事物本身的结构具有对客观事物本身的结构具有对称性称性。这是法拉第进行科学研究的。这是法拉第进行科学研究的思想基础思想基础。2、法拉第、法拉第发现发现电磁感应现象电磁感应现象法拉第法拉第坚信：坚信：磁磁一定能产生一定能产生电电。经过经过近近1010年的努力年的努力，于，于1831年发现了年发现了电磁感应现象电磁感应

10、现象。由由下述下述4 4种方法种方法，可见，可见关键点关键点是：是：产生感应电流的回路产生感应电流的回路都都是处在一个是处在一个变化的磁场变化的磁场中，一旦磁场变化停止，感应电流中，一旦磁场变化停止，感应电流就消失。这种现象称为就消失。这种现象称为电磁感应电磁感应。 18311831年年8 8月月2929日，日，法法拉第拉第想用一条通电导线的想用一条通电导线的磁场从另一条导线中激发磁场从另一条导线中激发出出感应电流感应电流来。实验中，来。实验中，为了增强磁场和感应电流，为了增强磁场和感应电流，他将两条直导线绕在铁环他将两条直导线绕在铁环上，形成两个上，形成两个共芯螺线管共芯螺线管。法拉第看到，

11、每当法拉第看到，每当接通接通或或断开断开一个线圈的电一个线圈的电源源时，另一个未接电源的线圈中激起了时，另一个未接电源的线圈中激起了瞬时瞬时电流电流，而且当通电线圈中的，而且当通电线圈中的电流稳定电流稳定时，另时，另一条线圈中的一条线圈中的电流就消失电流就消失了。了。 美国物理学家美国物理学家亨利亨利在电磁铁研究中想在电磁铁研究中想到了既然到了既然“电能生磁电能生磁”，难道，难道磁磁就不能就不能生生电电吗？吗？3、电磁感应定律的确立电磁感应定律的确立 1830年，年，约瑟夫约瑟夫亨利亨利在一根条在一根条形软铁芯上绕了一个铜线圈，形软铁芯上绕了一个铜线圈，用细铜丝将线圈的两端与用细铜丝将线圈的两

12、端与4040英英尺远的尺远的电流计电流计相连接然后将相连接然后将这个带线圈的软铁棒放在电磁这个带线圈的软铁棒放在电磁铁的两极间。当电磁铁铁的两极间。当电磁铁通电瞬通电瞬间间，他发现，他发现电流计指针动了一电流计指针动了一下下。实验结果发表在。实验结果发表在18321832年年7 7月月的的美国科学美国科学杂志上，杂志上，比法比法拉第论文拉第论文发表发表晚了晚了近一年近一年。亨利亨利比法拉第发现电磁感应现象比法拉第发现电磁感应现象早一年早一年。但是，当时世界科学的中心在欧洲，但是，当时世界科学的中心在欧洲，亨利正在集中精力制作更大的电磁铁，亨利正在集中精力制作更大的电磁铁，没有及时发表没有及时发

13、表这一实验成果，因此，这一实验成果，因此，发现电磁感应现象的功劳就归属于发现电磁感应现象的功劳就归属于及及时发表了成果的法拉第时发表了成果的法拉第，亨利失去了，亨利失去了发明权。发明权。 亨利的贡献很大，只是亨利的贡献很大，只是有的没有立即发表，因有的没有立即发表，因而而失去了失去了许多发明的专许多发明的专利权和发现的优先权。利权和发现的优先权。但人们没有忘记这些杰但人们没有忘记这些杰出的贡献，为了纪念出的贡献，为了纪念亨亨利利，用他的名字命名了，用他的名字命名了自感系数自感系数和和互感系数的互感系数的单位单位，简称，简称“亨亨”。 法拉第法拉第在在18311831年年1111月月2424日向

14、英国皇家日向英国皇家学会报告了学会报告了电学的实验研究电学的实验研究的结果。的结果。他将他将产生电磁感应的条件产生电磁感应的条件概括为：概括为：变化的电流；变化的磁场；变化的电流；变化的磁场；运动的稳恒电流；运动的稳恒电流；运动的磁铁；在磁场中运动的导体。运动的磁铁；在磁场中运动的导体。并将并将“磁生电磁生电”的现象的现象定名定名为为“电磁感电磁感应应”。法拉第法拉第又进一步作了综合分析，找到了又进一步作了综合分析，找到了产生产生电磁感应电磁感应的基本条件的基本条件二次电路二次电路( (B线圈线圈) )中中磁力线数量变化磁力线数量变化。 这样就确立了这样就确立了电磁感应定律电磁感应定律：导体线

15、圈中的导体线圈中的磁力线数量发生变化磁力线数量发生变化将在将在线圈中激起线圈中激起感应电流感应电流。 法拉第法拉第一生致力于科学研究事业，不图一生致力于科学研究事业，不图虚荣，甚至不接受为他增加的薪水。他成名之后，虚荣，甚至不接受为他增加的薪水。他成名之后，世界各国赠给他的学位、学衔和其他荣誉达世界各国赠给他的学位、学衔和其他荣誉达94种种之多，他从来不向任何人展示和炫耀。之多，他从来不向任何人展示和炫耀。 法拉第法拉第一生中一直过着一生中一直过着清贫而简朴清贫而简朴的生活，的生活，为后人留下了巨大的知识财富，他的代表作是为后人留下了巨大的知识财富，他的代表作是电学的实验研究电学的实验研究。他

16、还是一位了不起的。他还是一位了不起的科普科普作家作家，曾写过，曾写过蜡烛的化学史蜡烛的化学史等书，被译成多等书，被译成多种文字，流传很广。种文字，流传很广。 法拉第法拉第是当时世界上许多科学学会的是当时世界上许多科学学会的会员，是当时物理学家会员，是当时物理学家公认的领袖公认的领袖，是自，是自伽利略以来，从来没有见过的头脑中涌现伽利略以来，从来没有见过的头脑中涌现出那么多奇妙思想和发现的出那么多奇妙思想和发现的科学巨人科学巨人，是，是自学成材自学成材的的典范典范( (他小学没有毕业他小学没有毕业,13,13岁到岁到书店当学徒书店当学徒) )，是是人类走向人类走向电气时代的开路电气时代的开路先锋

17、先锋。1867年年8 8月月25日，他坐在椅子上安详日，他坐在椅子上安详地去世。地去世。创造性的科学思维创造性的科学思维磁感线磁感线与与场场概念的引入概念的引入条形磁铁周围条形磁铁周围铁屑铁屑沿沿磁感应线磁感应线排列排列 法拉第于法拉第于1831年底年底用用铁粉实验铁粉实验展示并提出了展示并提出了“磁力线磁力线” （现称（现称磁感应线磁感应线）概念。他认为）概念。他认为磁感应线磁感应线显示了在磁体周显示了在磁体周围空间是围空间是物理空间物理空间，其中存在，其中存在“磁场磁场”。利用。利用磁感应线磁感应线在在空间分布的空间分布的疏密程度疏密程度可以直观地描述可以直观地描述磁场的强弱磁场的强弱。“

18、密密”表示表示 “强强”，“稀稀”表示表示“弱弱”。 磁感应强度磁感应强度是矢量，有是矢量，有大小大小和和方向方向。在。在磁感磁感应线应线上某点的上某点的切线方向切线方向为为该点该点磁感应强度方向。磁感应强度方向。人们有规定磁场的方向是将小磁针放在该点时，人们有规定磁场的方向是将小磁针放在该点时，北极所指方向北极所指方向。 “场场”概念引入的概念引入的重大意义重大意义 力线力线和和场场的概念的提出，不仅使的概念的提出，不仅使电磁感应电磁感应可给以定可给以定量的描述，而且量的描述，而且“场场”的提出，表明的提出，表明电力电力和和磁力磁力是是一种一种近距作用近距作用，即这种力是通过，即这种力是通过

19、“场场”进行传播的，进行传播的，不是不是“超距作用超距作用”。更重要的是：更重要的是：“场场”的引入的引入是物理学中是物理学中极具想象力极具想象力的创举的创举，对物理学发展具有开创意义。在过去人们，对物理学发展具有开创意义。在过去人们认为认为物理实在物理实在是是质点质点，牛顿研究的是，牛顿研究的是质点质点的力学运的力学运动规律。而在电磁学的研究中，动规律。而在电磁学的研究中，物理实在物理实在是有连续是有连续的的“场场”来代表。来代表。法拉第法拉第和和麦克斯韦麦克斯韦研究的是研究的是“场场”的运动变化规律，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。 “想象力想象力比知识更重要，因为

20、比知识更重要，因为知识知识是是有限有限的，的，而而想象力想象力概括着世界上的一切，推动着进步，概括着世界上的一切，推动着进步，并且是知识进化的源泉。并且是知识进化的源泉。” 爱因斯坦爱因斯坦二、电磁感应定律电磁感应定律开辟了电气时代的新开辟了电气时代的新纪元纪元 电磁感应定律电磁感应定律使人类找到了使人类找到了机械能与电能机械能与电能之间的转换方之间的转换方法，开创了法，开创了电气化时代电气化时代的新纪元。的新纪元。19世纪世纪4040年代年代，西欧先进的资本主义国家先后进入了，西欧先进的资本主义国家先后进入了电气电气化时代化时代的早期阶段。电磁学的飞速发展，引发了的早期阶段。电磁学的飞速发展

21、，引发了第二次世第二次世界性技术革命浪潮界性技术革命浪潮，以，以电机电机为动力的电气化工业体系和各为动力的电气化工业体系和各种电气工业生产部门，如种电气工业生产部门，如电解、电镀、电热、电焊、电冶、电解、电镀、电热、电焊、电冶、电力生产电力生产和输送等方面的工厂、企业如雨后春笋般地建立和输送等方面的工厂、企业如雨后春笋般地建立起来，起来，电报、电话电报、电话等信息技术也被广泛地利用起来。等信息技术也被广泛地利用起来。电磁理论电磁理论和和电气技术电气技术的进步，把工业生产的进步，把工业生产推向了历史的新高峰推向了历史的新高峰。英国在英国在1840年年，由由电气技术造成的劳动生产率电气技术造成的劳

22、动生产率是是1770年蒸汽年蒸汽技术造成的劳动生产率的技术造成的劳动生产率的27倍倍，是，是手工劳手工劳动动的的108倍倍。70年中年中，劳动生产率，劳动生产率平均每平均每年提高年提高11.28。 1993年年，全世界发电总量达到，全世界发电总量达到12.26万万亿千瓦时。亿千瓦时。最大的水电站最大的水电站是巴西和巴拉圭的是巴西和巴拉圭的伊泰普水电站，装机容量为伊泰普水电站，装机容量为12601260万干瓦。万干瓦。 我国长江三峡电站我国长江三峡电站的装机容量为的装机容量为1850万千瓦万千瓦，它是世界电站之冠。，它是世界电站之冠。世界上最大的世界上最大的火电站火电站是俄罗斯的苏尔古特第是俄罗

23、斯的苏尔古特第二电厂，装机容量为二电厂，装机容量为480万千瓦；万千瓦； 最大的核电站最大的核电站是加拿大的布鲁斯电是加拿大的布鲁斯电站，装机容量为站，装机容量为728万千瓦万千瓦。世界上世界上电力电力生产正在稳步增长，电力技生产正在稳步增长，电力技术的发展正在向着高效率、注重环保的术的发展正在向着高效率、注重环保的更高目标迈进。展望更高目标迈进。展望21世纪，新的时代世纪，新的时代将更加光明，更加美好，更加丰富多彩。将更加光明，更加美好，更加丰富多彩。Nikola Tesla (18561943) Tesla was born in Croatia （克罗地亚克罗地亚）but spent m

24、ost of his professional life as an inventor in the United States. He was a key figure in the development of alternating current electricity, high-voltage transformers,and the transport of electric power via ac transmission lines.Teslas viewpoint was at odds with the ideas of Thomas Edison, who commi

25、tted himself to the use of direct current in power transmission. Teslas ac approach won out.特斯拉特斯拉1884年，年，特斯拉特斯拉第一次踏上美国国土，来到第一次踏上美国国土，来到了纽约。除了前雇主查尔斯了纽约。除了前雇主查尔斯巴奇勒所写的巴奇勒所写的推荐函外，他几乎是一无所有。这封信是推荐函外，他几乎是一无所有。这封信是写给托马斯写给托马斯爱迪生的，信中提到：爱迪生的，信中提到：“我知我知道有道有两个伟大的人两个伟大的人，你是其中之一，另一，你是其中之一，另一个就是这个年轻人了。个就是这个年轻人了。”

26、特斯拉特斯拉被认为是当时美国最伟大的被认为是当时美国最伟大的电机工程电机工程师师之一。他的许多发现被认为是具有开创性之一。他的许多发现被认为是具有开创性的，是的，是电机工程学电机工程学的先驱。的先驱。19121912年，由于特斯拉和爱迪生年，由于特斯拉和爱迪生在在电力方面电力方面的贡献，两人被的贡献，两人被同时授予同时授予诺贝尔物理学奖诺贝尔物理学奖，但是两人都但是两人都拒绝领奖拒绝领奖，理由，理由是无法忍受和对方一起是无法忍受和对方一起分享分享这一荣誉。这一荣誉。 特斯拉汽车公司特斯拉汽车公司（Tesla MotorsTesla Motors），一家生产和），一家生产和销售电动汽车以及零件的

27、公司，只制造销售电动汽车以及零件的公司，只制造纯电动车纯电动车，成立于成立于20032003年，总部设在了美国加州的硅谷地带年，总部设在了美国加州的硅谷地带11。特斯拉汽车公司是一家以美国硅谷为基地，。特斯拉汽车公司是一家以美国硅谷为基地，在纳斯达克上市的电动车生产及设计公司，其总在纳斯达克上市的电动车生产及设计公司，其总部位于加州帕罗奥图。特斯拉由斯坦福大学的硕部位于加州帕罗奥图。特斯拉由斯坦福大学的硕士辍学生马斯克士辍学生马斯克(Elon Musk)(Elon Musk)与硕士毕业生与硕士毕业生J.B. J.B. StraubelStraubel于于20032003年创立，专门生产纯电动车

28、。年创立，专门生产纯电动车。 1999年年，英国广播公司英国广播公司（BBC）所评选出的）所评选出的1000年来年来最最伟大的伟大的1010位思想家位思想家中中麦克斯韦麦克斯韦与与马克思、爱因斯坦、牛顿等人一马克思、爱因斯坦、牛顿等人一起榜上有名，他排名起榜上有名，他排名第九第九。后由。后由英国杂志英国杂志物理世界物理世界在在100位位著名物理学家著名物理学家中选出的中选出的10位最伟位最伟大者大者中，中，麦克斯韦麦克斯韦紧跟紧跟爱因斯坦爱因斯坦和和牛顿牛顿排名第三排名第三。 麦克斯韦麦克斯韦2.3.2 电磁场理论电磁场理论 法拉第法拉第无疑是一位伟大的实验家，无疑是一位伟大的实验家，有丰富的

29、想象力，但他一系列观点有丰富的想象力，但他一系列观点还缺还缺乏乏严格的严格的数学形式数学形式，在理论上，在理论上不够严密不够严密。加上当时在学术界中，加上当时在学术界中，“超距作用超距作用”的的传统观念还很深，所以当时学术界对法传统观念还很深，所以当时学术界对法拉第学说表示出拉第学说表示出冷漠冷漠、甚至、甚至非议非议。 “法拉第法拉第和和麦克斯韦麦克斯韦在在电磁场电磁场方面的方面的工作引起一场工作引起一场最伟大的革命最伟大的革命” 爱因斯坦爱因斯坦 可是年轻的可是年轻的麦克斯韦麦克斯韦却有与众不同的眼却有与众不同的眼光，他体会到了光，他体会到了“场场”的引入的革命性意义。的引入的革命性意义。他

30、被法拉第的成果所吸引。在他被法拉第的成果所吸引。在1856年以后，年以后，他致力于他致力于用数学语言用数学语言翻译翻译和和表述表述电磁场电磁场的运的运动规律。动规律。 2.3.2 电磁场理论电磁场理论表达表达电磁基本定律电磁基本定律的的麦克斯韦麦克斯韦四元方程组四元方程组描述了描述了电磁场电磁场普遍遵从的规律。它同物质普遍遵从的规律。它同物质的的介质方程、洛伦兹力公式介质方程、洛伦兹力公式以及以及电荷守恒电荷守恒定律定律结合起来，原则上可以解决各种宏观结合起来，原则上可以解决各种宏观电动力学电动力学问题。问题。 oD dSqBE dldSt 0B dSoDH dlIdSt 根据根据麦克斯韦方程

31、组麦克斯韦方程组导出的一个导出的一个重要结果是重要结果是: :预言预言电磁波的存在电磁波的存在。电电磁波磁波在在真空中真空中传播的速度为传播的速度为 c。其数。其数值与值与光光在真空中传播的速度相同，在真空中传播的速度相同，说明说明光光是是电磁波电磁波。 麦克斯韦麦克斯韦（JamesClerk Maxwell，18311879）英国物理学家英国物理学家，经典电磁理论经典电磁理论的奠基人。的奠基人。1831年年6 6月月1313日出生于爱丁堡。父日出生于爱丁堡。父亲受的是法学教育，但思想活跃，爱好科学亲受的是法学教育，但思想活跃，爱好科学技术，使他从小就受到科学的熏陶。技术，使他从小就受到科学的

32、熏陶。1010岁那岁那年进了爱丁堡中学，由于年进了爱丁堡中学，由于讲话带有很重的乡讲话带有很重的乡音和衣着不入时音和衣着不入时，在班上经常，在班上经常被排挤被排挤、受讥受讥笑笑。但在一次全校举行的数学和诗歌的比赛。但在一次全校举行的数学和诗歌的比赛中，中，麦克斯韦一人麦克斯韦一人独得独得两个科目的一等奖。两个科目的一等奖。 他以自己的他以自己的勤奋勤奋和和聪颖聪颖获得了同学们获得了同学们的尊敬。他的学习内容逐渐地突破了课的尊敬。他的学习内容逐渐地突破了课本和课堂教学的局限。他的关于本和课堂教学的局限。他的关于卵形曲卵形曲线线画法画法的第一篇科学论文发表在的第一篇科学论文发表在爱丁爱丁堡皇家学会

33、会刊堡皇家学会会刊上，他采用的方法比上，他采用的方法比笛卡儿的方法笛卡儿的方法还简便。那时他仅仅还简便。那时他仅仅15岁岁。 1847年入年入爱丁堡大学爱丁堡大学听课，听课，专攻数学专攻数学。但。但他很重视参加实验，广泛涉猎他很重视参加实验，广泛涉猎电化学、光学、电化学、光学、分子物理学以及机械工程分子物理学以及机械工程等等。他说：等等。他说：“把把数学分析数学分析和实验研究联合使用得到的物理科和实验研究联合使用得到的物理科学知识，比之一个单纯的实验人员或单纯的学知识，比之一个单纯的实验人员或单纯的数学家所具有的知识更加坚实、有益而牢数学家所具有的知识更加坚实、有益而牢固。固。”1850年考入

34、年考入剑桥大学剑桥大学，1854年以优异年以优异成绩毕业并获得了学位，留校工作。成绩毕业并获得了学位，留校工作。1856年起任苏格兰阿伯丁的马里沙耳学年起任苏格兰阿伯丁的马里沙耳学院的自然哲学讲座教授，直到院的自然哲学讲座教授，直到1874年。年。经经法拉第法拉第举荐举荐，自，自1860年起任伦敦皇家年起任伦敦皇家学院的物理学和天文学教授。学院的物理学和天文学教授。1871年起年起负责筹划负责筹划卡文迪什实验室卡文迪什实验室，随后被任命，随后被任命在剑桥大学在剑桥大学创办卡文迪什实验室并担任创办卡文迪什实验室并担任第一任负责人第一任负责人。1879年年11月月5日日，麦克斯韦麦克斯韦因病在剑因

35、病在剑桥逝世，年仅桥逝世，年仅48岁岁。那一年正好。那一年正好爱爱因斯坦因斯坦出生。科学史上这种巧合还出生。科学史上这种巧合还有一次是在有一次是在16421642年，那一年年，那一年伽里略伽里略去世，去世，牛顿牛顿出生。出生。 麦克斯韦麦克斯韦一生从事过多方面的物理学研一生从事过多方面的物理学研究工作，究工作，他最杰出的贡献是在经典电磁理论他最杰出的贡献是在经典电磁理论方面方面。在剑桥读书期间，当麦克斯韦读过。在剑桥读书期间，当麦克斯韦读过法法拉第拉第的的电学实验研究电学实验研究之后，立刻被书中之后，立刻被书中的的新颖见解新颖见解所吸引，他敏锐地领会到了法拉所吸引，他敏锐地领会到了法拉第的第的

36、“力线力线”和和“场场”的概念的重要性。但的概念的重要性。但是，是，他注意到他注意到全书竟然无一数学公式全书竟然无一数学公式，这说，这说明法拉第的学说还明法拉第的学说还缺乏严密的理论形式缺乏严密的理论形式。 在其老师在其老师威廉威廉汤姆孙汤姆孙的启发和帮的启发和帮助下，助下，决心决心用自己的数学才能用自己的数学才能来弥补法来弥补法拉第工作的这一缺陷拉第工作的这一缺陷。1855年他发表了年他发表了第一篇论文第一篇论文论法拉第的力线论法拉第的力线。把法。把法拉第的直观力学图象用拉第的直观力学图象用数学形式表达了数学形式表达了出来出来，文中给出了，文中给出了电流电流和和磁场磁场之间的之间的微微分关系

37、式分关系式。不久，收到。不久，收到法拉第法拉第的来信，的来信，赞扬说：赞扬说：“我惊异地发现，我惊异地发现，这个数学加这个数学加得很妙！得很妙！” 1860年，年，29岁的麦克斯韦岁的麦克斯韦去拜访去拜访年近年近70的法的法拉第拉第，法拉第勉励麦克斯韦：，法拉第勉励麦克斯韦：“不要局限于不要局限于用数学来解释已有的见解，用数学来解释已有的见解，而应该突破而应该突破它它。”1861年，麦克斯韦深入分析了年，麦克斯韦深入分析了变化磁变化磁场产生感应电动势场产生感应电动势的现象，独创性地提出了的现象，独创性地提出了“分子涡旋分子涡旋”和和“位移电流位移电流”两个两个著名假设著名假设。这些内容发表在这

38、些内容发表在1862年的第二篇论文年的第二篇论文论物论物理力线理力线中。这两个假设已不仅仅是法拉第中。这两个假设已不仅仅是法拉第成果的数学反映，而是对法拉第成果的数学反映，而是对法拉第电磁学电磁学作出作出了了实质性的增补实质性的增补。 1864年年12月月8日日，麦克斯韦在英国皇家学会的集会上，麦克斯韦在英国皇家学会的集会上宣读了题为宣读了题为电磁场的动力学理论电磁场的动力学理论的的重要论文重要论文，对以前，对以前有关电磁现象和理论进行了系统的概括和总结，提出了有关电磁现象和理论进行了系统的概括和总结，提出了联联系着系着电荷电荷、电流电流和和电场电场、磁场磁场的的基本微分方程组基本微分方程组。

39、该方程。该方程组后来经组后来经H.R.H.R.赫兹，赫兹，O.O.亥维赛和亥维赛和H.A.H.A.洛伦兹等人整理和改洛伦兹等人整理和改写，就成了作为写，就成了作为经典电动力学经典电动力学主要基础的主要基础的麦克斯韦方程组麦克斯韦方程组。这理论所宣告的一个直接的推论在科学史上具有重要意义，这理论所宣告的一个直接的推论在科学史上具有重要意义，即即预言了电磁波的存在预言了电磁波的存在。交变的电磁场以光速和横波的形。交变的电磁场以光速和横波的形式在空间传播，这就是电磁波；式在空间传播，这就是电磁波；光就是一种可见的电磁波光就是一种可见的电磁波。电、磁、光的统一，被认为是电、磁、光的统一，被认为是191

40、9世纪科学史上世纪科学史上最伟大的综最伟大的综合合之一。之一。 1888年，年，麦克斯韦麦克斯韦的的预言预言被被H. .赫兹赫兹所证实。所证实。1865年以后，麦克斯韦利用因病离职休养的年以后，麦克斯韦利用因病离职休养的时间，系统地总结了近百年来时间，系统地总结了近百年来电磁学电磁学研究的研究的成果，于成果，于1873年出版了他的年出版了他的巨著巨著电磁理论电磁理论这部科学名著，内容丰富、形式完备，体现这部科学名著，内容丰富、形式完备，体现出理论和实验的一致性，被认为可以和牛顿出理论和实验的一致性，被认为可以和牛顿的的自然哲学的数学原理自然哲学的数学原理交相辉映。交相辉映。麦克麦克斯韦的电磁理

41、论斯韦的电磁理论成为经典物理学的重要支柱成为经典物理学的重要支柱之一。之一。 赫兹（赫兹（Hertz）是计算）是计算频率频率的单位，意的单位，意为每秒的周期性振动次数。其命名取自为每秒的周期性振动次数。其命名取自德德国物理学家国物理学家海因里希海因里希鲁道夫鲁道夫赫兹赫兹。其符号。其符号是是“Hz”。 赫兹赫兹对人类最伟大的贡献是用对人类最伟大的贡献是用实验证实了实验证实了电磁波电磁波的存在。的存在。 麦克斯韦麦克斯韦兴趣广泛，才智过人，他不兴趣广泛，才智过人，他不但是建立各种模型来但是建立各种模型来类比类比不同物理现象的能不同物理现象的能手，手，更是运用数学工具来分析物理问题的大更是运用数学

42、工具来分析物理问题的大师师。他在其他领域中也做出了不少贡献。他在其他领域中也做出了不少贡献。18591859年他用年他用统计方法导出统计方法导出了处于热平衡态中了处于热平衡态中的的气体分子的气体分子的“麦克斯韦速率分布律麦克斯韦速率分布律”。他。他用数学方法证明了土星环是由一群离散的卫用数学方法证明了土星环是由一群离散的卫星聚集而成的。这项研究的论文获得亚当斯星聚集而成的。这项研究的论文获得亚当斯奖；在论文中他运用了奖；在论文中他运用了200多个方程，多个方程，由此可由此可见他驾驭数学的高超能力！见他驾驭数学的高超能力！在在色视觉色视觉方面他提出了方面他提出了三原色理论三原色理论。他首先。他首

43、先提出了提出了实现彩色摄影实现彩色摄影的具体方案。他设计的的具体方案。他设计的“色陀螺色陀螺”获得皇家学会的奖章。获得皇家学会的奖章。麦克斯韦麦克斯韦在他生命的最后几年里，花费了很大气力整在他生命的最后几年里，花费了很大气力整理和出版理和出版卡文迪什的遗稿卡文迪什的遗稿以及以及创建卡文迪许创建卡文迪许实验室实验室，为人类留下又一笔珍贵的科学遗产。，为人类留下又一笔珍贵的科学遗产。卡文迪许卡文迪许实验室实验室 卡文迪许实验室卡文迪许实验室是英国是英国剑桥剑桥大学大学的物理实验室，实际上就是的物理实验室，实际上就是它的物理系。它的物理系。 剑桥大学的剑桥大学的卡文迪许实验室卡文迪许实验室建于建于1

44、87l1874年间，是当时年间，是当时剑桥大学的一位校长剑桥大学的一位校长威廉威廉卡文迪许卡文迪许私人捐款私人捐款兴建的。他是十八十九世纪对物理学兴建的。他是十八十九世纪对物理学和化学做出过巨大贡献的科学家和化学做出过巨大贡献的科学家亨利亨利卡文迪许的卡文迪许的近亲近亲。这个实验室就取名。这个实验室就取名卡文迪许实验室卡文迪许实验室，当时，当时用了捐款用了捐款8450英镑英镑，除去盖成一栋实验楼馆，还，除去盖成一栋实验楼馆，还买了一些仪器设备。买了一些仪器设备。 著名的著名的卡文迪许实验室卡文迪许实验室对整个对整个实实验物理学验物理学的发展产生了极其重要的影的发展产生了极其重要的影响，响，众多

45、著名科学家众多著名科学家都曾在该实验室都曾在该实验室工作过。卡文迪许实验室甚至被誉为工作过。卡文迪许实验室甚至被誉为“诺贝尔物理学奖获得者诺贝尔物理学奖获得者的的摇篮摇篮” 近百年来近百年来卡文迪许实验室培养卡文迪许实验室培养出的出的诺贝尔奖金获得者诺贝尔奖金获得者已达已达26人人。麦克斯韦、瑞利、麦克斯韦、瑞利、J.J.汤姆逊、卢瑟汤姆逊、卢瑟福等先后主持过该实验室。福等先后主持过该实验室。 关于作用力是否需要关于作用力是否需要中间媒介物中间媒介物质质的传递，对此问题的不同观点就形成的传递，对此问题的不同观点就形成了了近距近距作用和作用和超距超距作用的争论。作用的争论。2.3.3 近距近距作

46、用作用与与超距超距作用作用之争之争什么是什么是近距近距作用和作用和超距超距作用呢？作用呢？ 自古以来人们把自古以来人们把相互接触物体相互接触物体的作的作用叫做用叫做接触作用接触作用或或近距作用近距作用。例如：物体。例如：物体之间的之间的推、拉、压、撞击推、拉、压、撞击和和摩擦摩擦等等。近距作用近距作用的的特点特点是是：作用力作用力是通过是通过媒媒 质质逐步传递的。逐步传递的。例如，纤夫拉船，虽然纤夫例如，纤夫拉船，虽然纤夫并没有直接接触并没有直接接触船船，但是，但是拉力拉力通过纤绳通过纤绳一段一段地一段一段地传递而作传递而作用到船上。用到船上。 非接触物体非接触物体之间的作用叫做之间的作用叫做

47、超距超距作作用。例如用。例如磁石磁石对对铁的吸引力。铁的吸引力。超距超距作用的作用的特点是特点是：相隔一定距离的物体：相隔一定距离的物体之间存在着之间存在着直接的、瞬时直接的、瞬时的相互作用。的相互作用。 比如比如地球地球与它上面的物体的吸引。它们之与它上面的物体的吸引。它们之间间并不直接接触并不直接接触，但是，但是相互吸引相互吸引确实存在确实存在。这两种观点这两种观点的的对立表现在对立表现在：超距作用超距作用不需要不需要任何媒介任何媒介传递传递，从而也，从而也不需不需要传递时间。要传递时间。近距作用近距作用则需要则需要中间媒介物质中间媒介物质的传递的传递，自自然也需要传递时间然也需要传递时间。显然显然，这两种观点是这两种观点是针锋相对